多孔介质中涡度诱导的冲浪与捕获
软凝聚态物质
2025-11-05 v1 生物物理
流体动力学
摘要
微生物在穿越其栖息地时，常常会遇到强烈的约束和复杂的流体动力学流动。结合有限元方法和随机模拟，我们研究了密集多孔通道中主动输运与非均匀流动的相互作用。我们发现，游泳总是会减慢代理穿越通道的速度，导致其出口时间分布出现稳健的幂律拖尾。这些出口时间分布在很宽的填充率和运动性参数范围内，坍缩到一条标度指数约为3/2的通用主曲线上，这可以通过标度关系来合理化。我们进一步识别出一种新的运动模式，其中代理在沿着快速流冲浪和长时间捕获阶段之间交替，后者决定了幂律指数。出乎意料的是，捕获发生在流动主干本身——而不仅仅是在障碍物边界——这是由于高度非均匀流体环境中涡度诱导的重新定向。这些发现提供了一种全新的主动输运机制，对生物膜堵塞和设计能够在非均匀介质中运行的新型微型机器人具有直接影响。
引用
@article{arxiv.2511.02471,
title = {Vorticity-induced surfing and trapping in porous media},
author = {Pallabi Das and Mirko Residori and Axel Voigt and Suvendu Mandal and Christina Kurzthaler},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.02471},
year = {2025}
}