[논문 리뷰] Dispersion of swimming algae in laminar and turbulent channel flows: theory and simulations

Ottavio A. Croze, Gaetano Sardina외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 13.

Micro and Nano Robotics인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 직접 수치 시뮬레이션(DNS)과 이론적 모델링을 사용하여 난류 및 난류 채널 유동에서 자가진동성 수영하는 조류의 분포를 조사한다. 그 결과, 자가진동성 편향이 비정상적 분산을 유도함을 밝혀내었으며, 이는 평균 유동 이송을 초월하고 효과적 확산도 비단순적인 변화를 보이며, 특히 하강류 난류 흐름에서 두드러지게 나타난다. 이는 광생물반응기 설계에 중요한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Shear flow significantly affects the transport of swimming algae in suspension. For example, viscous and gravitational torques bias bottom-heavy cells to swim towards regions of downwelling fluid (gyrotaxis). It is necessary to understand how such biases affect algal dispersion in natural and industrial flows, especially in view of growing interest in algal photobioreactors. Motivated by this, we here study the dispersion of gyrotactic algae in laminar and turbulent channel flows using direct numerical simulation (DNS) and the analytical swimming dispersion theory of Bees and Croze (2010). Time-resolved dispersion measures are evaluated as functions of the Peclet and Reynolds numbers in upwelling and downwelling flows. For laminar flows, DNS results are compared with theory using competing descriptions of biased swimming cells in shear flow. Excellent agreement is found for predictions that employ generalized-Taylor-dispersion. The results highlight peculiarities of gyrotactic swimmer dispersion relative to passive tracers. In laminar downwelling flow the cell distribution drifts in excess of the mean flow, increasing in magnitude with Peclet number. The cell effective axial diffusivity increases and decreases with Peclet number (for tracers it merely increases). In turbulent flows, gyrotactic effects are weaker, but discernable and manifested as non-zero drift. These results should significantly impact photobioreactor design.

연구 동기 및 목표

• 유동장과 자가진동성의 영향이 자연 및 산업적 흐름에서 조류 분포에 어떻게 작용하는지 이해하기 위해.
• 점성 및 중력 토크가 수영하는 조류를 하강류 영역으로 편향시키는 역할를 정량화하기 위해.
• 유동장 내 편향된 수영 세포에 대해 직접 수치 시뮬레이션(DNS)과 이론적 모델을 비교하기 위해.
• 자기진동성이 난류 및 난류 채널 유동에서 효과적 축방향 확산도와 평균 이송 속도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 활동적인 수영 효과를 고려하여 조류 광생물반응기 설계 최적화를 위한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 채널 유동에서 유동장과 개별 조류 세포 궤적을 해상도를 높여 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 수행하여 유동장을 해석한다.
• Bees와 Croze(2010)의 수영 분포 이론을 일반화된-Taylor-분포 형식론과 결합하여 분포를 예측한다.
• 상승류 및 하강류 흐름 모두에서 페클레 수와 레이놀즈 수의 함수로 시간에 따라 변화하는 분포 측정치를 평가한다.
• 유동장 내 편향된 수영의 경쟁적 기술적 기술을 사용하여 DNS 결과와 이론적 예측을 비교한다.
• 고해상도 DNS를 사용하여 난류 흐름을 분석하여 자가진동성 효과를 배경 난류에서 분리한다.
• 효과적 축방향 확산도와 평균 이송 속도와 같은 통계적 조건을 사용하여 분포 이질성을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기진동성이 난류 채널 흐름에서 수영 조류의 분포에 미치는 영향은 수동 트레이서와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 하강류 난류 흐름에서 효과적 축방향 확산도는 페클레 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 난류 채널 흐름에서 자기진동성 세포의 평균 이송은 유체의 평균 유동과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 자기진동성 효과는 난류와 난류 흐름 영역 간에 어떤 방식으로 다를까?
• RQ5 일반화된-Taylor-분포 모델은 편향된 수영이 존재하는 조건에서 분포를 얼마나 정확하게 예측하는가?

주요 결과

• 난류 하강류 흐름에서 자기진동성 조류는 평균 유동을 초월하는 이송 속도를 보이며, 이는 페클레 수가 증가함에 따라 증가한다.
• 자기진동성 세포의 효과적 축방향 확산도는 페클레 수에 대해 비단순적인 의존성을 보이며, 증가했다가 감소하는 경향을 보이며, 이는 수동 트레이서가 단순히 증가하는 것과는 다릅니다.
• 편향된 수영 세포에 대해 일반화된-Taylor-분포 모델을 사용할 경우, DNS 결과와 이론적 예측 간에 뛰어난 일치가 확인된다.
• 난류 흐름에서는 자기진동성 효과가 더 약하지만 여전히 식별 가능하며, 이는 세포의 평균 이송 속도가 유체에 대해 비영이 아닌 값을 보임으로써 나타난다.
• 자기진동성 수영자의 비정상적 분포 행동은 가장 뚜렷하게 난류 하강류 흐름에서 나타나며, 이 경우 이송과 확산도가 모두 수동 트레이서 행동에서 크게 벗어난다.
• 이러한 발견들은 광생물반응기 시스템에서 자기진동성을 명시적으로 모델링해야 알맞은 조류 농도 분포와 운반 효율을 정확히 예측할 수 있음을 시사한다.