模型纤毛虫的非定常摄食与最优划水

游动微生物产生的流场不仅使其能够运动，还会导致营养物质的对流输运。本文通过解析和计算方法，研究了在时间周期性驱动流体的球形挤压子（spherical squirmer）模型微生物上，非定常摄食与非定常游动之间的联系。我们首先在低 Péclet 数 (Pe) 下对营养物质对流 - 扩散问题进行渐近计算。结果表明，直至 Pe^(3/2) 阶，平均摄食率及其时间涨落仅取决于挤压子的游动模态，即使平均而言未发生游动也是如此；而非游动模态的影响仅在 Pe^2 阶出现。我们还表明，通常情况下，摄食与游动之间存在 1/8 周期的相位延迟。针对有限 Pe 下典型划水动作的数值计算，定量证实了我们关于游动与摄食联系的解析结果。最后，我们推导并利用了一种基于伴随的优化算法，以确定在固定能量预算下最大化摄食率的最优非定常划水动作。总体最优摄食者始终是最优定常游动者。在时间周期性划水集合中，发现最优摄水划水动作等同于针对所有 Péclet 数值优化周期性游动的动作，并对应于整体定常最优解的正则化。