Pairwise scattering and bound states of spherical microorganisms
Pairwise scattering and bound states of spherical microorganisms
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球形微生物的成对散射和束缚态
DOI：
10.1103/physrevfluids.7.013104
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发表时间：
2022
影响因子：
2.7
通讯作者：
Brumley D. R.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Darveniza C.;Ishikawa T.;Pedley T. J.;Brumley D. R.
两对游泳微生物之间的动态相互作用支撑着较大悬浮物的集体行为，但准确计算成对碰撞通常需要使用数值模拟，其中完全解决了水动力相互作用。在本文中，我们利用作用于两个紧密分离的球形蠕动的力和力矩的解析表达式--晶胞间距与蠕动半径之比精确到二阶--来计算它们的散射动力学。人们的注意力仅限于其方向向量位于同一平面的蠕动。我们用它们的入射角、蠕动参数和外部引力场的强度来表征两个底部重的蠕动体的出射角度，发现了瞬变散射、静止束缚态、成对游泳运动和圆形轨道。这些结果与用边界元方法得到的全数值解进行了比较，突出了润滑理论的实用性。我们期望这些结果将对球形微生物悬浮的中尺度连续介质模型的基础有所帮助。
The dynamic interactions between pairs of swimming microorganisms underpin the collective behavior of larger suspensions, but accurately calculating pairwise collisions has typically required the use of numerical simulations in which hydrodynamic interactions are fully resolved. In this paper, we utilize analytical expressions for forces and torques acting on two closely separated spherical squirmers—accurate to second order in the ratio of cell-cell spacing to squirmer radius—to calculate their scattering dynamics. Attention is limited to squirmers whose orientation vectors lie in the same plane. We characterize the outgoing angles of pairs of bottom-heavy squirmers in terms of their incoming angles, the squirmer parameter, and the strength of the external gravitational field, discovering transient scattering, stationary bound states, pairwise swimming motion, and circular orbits. These results compare well with full numerical solutions obtained using boundary element methods, highlighting the utility of lubrication theory. We expect these results will be useful for the foundations of mesoscale continuum models for suspensions of spherical microorganisms.
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