Efficient simulation of thermally fluctuating biopolymers immersed in fluids on 1-micron, 1-second scales
Efficient simulation of thermally fluctuating biopolymers immersed in fluids on 1-micron, 1-second scales
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以 1 微米、1 秒的尺度有效模拟浸没在流体中的热波动生物聚合物
DOI：
10.1016/j.jcp.2018.12.039
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发表时间：
2019
影响因子：
4.1
通讯作者：
Allard, Jun
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Liu, Kai;Lowengrub, John;Allard, Jun
流体-结构相互作用的随机性，由于热波动的组合，仍然是一个具有挑战性的问题，在计算流体力学。我们开发了一个有效的计划的基础上的随机浸入边界法，Stokeslets，和多时间步长。我们测试我们的方法为球形粒子和细丝下纯粹的热和确定性的力量，并找到良好的协议与理论预测的布朗运动的粒子和平衡热波动的半柔性细丝。作为初步的应用，我们模拟生物丝与F-肌动蛋白的属性。我们专门研究了两个相邻的平行细丝捆绑在一起的平均时间。有趣的是，我们发现在这段时间内，与不考虑长程流体动力学的模拟相比，考虑长程流体动力学的模拟之间有两倍的加速，这表明我们的方法将揭示生物现象中显着的流体动力学效应。
The combination of fluid-structure interactions with stochasticity, due to thermal fluctuations, remains a challenging problem in computational fluid dynamics. We develop an efficient scheme based on the stochastic immersed boundary method, Stokeslets, and multiple timestepping. We test our method for spherical particles and filaments under purely thermal and deterministic forces and find good agreement with theoretical predictions for Brownian Motion of a particle and equilibrium thermal undulations of a semi-flexible filament. As an initial application, we simulate bio-filaments with the properties of F-actin. We specifically study the average time for two nearby parallel filaments to bundle together. Interestingly, we find a two-fold acceleration in this time between simulations that account for long-range hydrodynamics compared to those that do not, suggesting that our method will reveal significant hydrodynamic effects in biological phenomena.
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