[論文レビュー] Concentration banding instability of a sheared bacterial suspension

Laxminarsimharao, Piyush Garg+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2018

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ひとこと要約

本稿では、長距離にわたる流体力学的相互作用によって駆動される細菌懸濁液におけるせん断誘発不安定性を提案し、せん断下で濃度および速度レイヤー構造の摂動が指数関数的に増大することを示している。非線形シミュレーションにより、局所的な細菌減少を伴う勾配バンド状の速度プロファイルの形成が確認され、最近の実験的観察における追加的メカニズムを必要としないせん断バンドの発生を説明している。

ABSTRACT

We demonstrate a novel shear-induced mechanism for growth of concentration fluctuations in a bacterial suspension. Using a linear stability analysis, a homogeneously sheared suspension is shown to support exponentially growing layering perturbations in the shear-rate and bacterial concentration. Non-linear simulations show that the instability eventually leads to gradient-banded velocity profiles, with a local depletion of bacteria at the interface between the bands. Our results show that long-ranged hydrodynamic interactions are sufficient to explain recent observations of shear-bands in bacterial suspensions.

研究の動機と目的

• 実験的に観察された細菌懸濁液におけるせん断バンドの背後にある物理的メカニズムを特定すること。
• 長距離にわたる流体力学的相互作用が、濃度および速度バンドの形成を単独で駆動できるかどうかを特定すること。
• せん断された細菌懸濁液の線形安定性を分析し、レイヤー構造摂動の増大を同定すること。
• 不安定性の非線形的進化をシミュレートし、その結果としての流れおよび濃度構造を予測すること。
• 実験で観察されたバンド界面における細菌の局所的減少を説明すること。

提案手法

• 均一にせん断された細菌懸濁液に対して線形安定性解析を実施し、せん断率および濃度における指数関数的に増大する摂動を同定する。
• 低レイノルズ数流れのストークスレット近似に整合する、長距離にわたる流体力学的相互作用をモデル化する。
• せん断下における流体および細菌濃度場の運動方程式および連続の式を線形化し、それらを解く。
• 非線形シミュレーションを実施し、線形領域を超えた摂動の進化を追跡する。
• 得られた流れのプロファイルを分析し、明確な速度および濃度勾配を示す勾配バンド構造の形成を同定する。
• バンド界面における細菌の空間的分布を検討し、局所的減少を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離にわたる流体力学的相互作用が、細菌懸濁液における単独でせん断バンドを誘発できるか？
• RQ2 せん断下における濃度および速度レイヤー構造を駆動する不安定性メカニズムの性質は何か？
• RQ3 摂動の線形増大率は、観察されたバンド構造パターンとどのように関係しているか？
• RQ4 非線形領域におけるバンド界面での細菌減少の役割は何か？
• RQ5 シミュレートされた速度および濃度プロファイルは、実験的観察とどのように一致するか？

主な発見

• 線形安定性解析により、せん断率および細菌濃度場の両方において指数関数的に増大するレイヤー構造摂動が同定された。
• 非線形シミュレーションにより、安定した勾配バンド状の速度プロファイルが形成され、明確な濃度勾配が観察された。
• バンドの界面では、一貫して細菌の局所的減少が観察され、実験的観察と整合的であった。
• 不安定性は、追加の力や相互作用を必要とせず、長距離にわたる流体力学的相互作用によって単独で駆動されている。
• このメカニズムにより、複雑な rheological やコロイド的効果を仮定せずに、最近の細菌懸濁液におけるせん断バンド観察を説明できる。
• 系は、均一なせん断状態から、不均一でバンド分離状態へと、せん断下における懸濁液の固有の不安定性によって遷移する。