[論文レビュー] Dispersion of swimming algae in laminar and turbulent channel flows: theory and simulations

Ottavio A. Croze, Gaetano Sardina+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2012

Micro and Nano Robotics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、直接数値シミュレーション（DNS）および理論的モデリングを用いて、層流および乱流チャネル流れにおけるジロタクティックな泳ぐ藻類の拡산を調査した。ジロタクティックなバイアスが、平均流れのずれを上回り、非単調な有効拡散率を示す異常拡散を引き起こすことが明らかになった。特にダウンウェリング層流において顕著であり、光バイオリアクターの設計に影響を与える。

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.

研究の動機と目的

• 剪断流れとジロタクティック運動が自然および産業的流れにおける藻類の拡散に与える影響を理解すること。
• 粘性および重力モーメントが泳ぐ藻類をダウンウェリング領域にバイアスさせる役割を定量化すること。
• 剪断流れにおけるバイアス付き泳ぐ細胞の直接数値シミュレーション（DNS）と理論的モデルの比較。
• ジロタクティック運動が層流および乱流チャネル流れにおける有効軸方向拡散率および平均ドリフトに与える影響を評価すること。
• アクティブな泳ぎの効果を考慮することで、藻類光バイオリアクターの設計最適化に役立つ知見を提供すること。

提案手法

• チャネル流れにおける流体の流れと個々の藻類細胞の軌道を解像する直接数値シミュレーション（DNS）を用いる。
• BeesとCroze（2010）の泳ぎ拡散理論を一般化されたテイラー拡散形式を用いて応用し、拡散を予測する。
• アップウェリングおよびダウンウェリング両流れにおいて、ペクレ数およびレイノルズ数の関数として時間分解された拡散指標を評価する。
• 剪断流れにおけるバイアス付き泳ぎの異なる記述を用いて、DNS結果と理論的予測を比較する。
• 高分解能DNSを用いて乱流を解析し、ジロタクティック効果を背景乱流から分離する。
• 有効軸方向拡散率および平均ドリフト速度などの統計的指標を用いて、拡散の異常を定量する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジロタクティック運動は、パッシブトレーサーと比較して、層流チャネル流れにおける泳ぐ藻類の拡散にどのように影響するか？
• RQ2 ダウンウェリング層流における有効軸方向拡散率はペクレ数にどのように依存するか？
• RQ3 乱流チャネル流れにおいて、ジロタクティック細胞の平均ドリフトは、平均流体の流れと比べてどのように異なるか？
• RQ4 ジロタクティック効果は、層流と乱流の流れの状態でどのように異なっているか？
• RQ5 一般化されたテイラー拡散モデルは、バイアス付き泳ぎが存在する状況で、拡散をどれほど正確に予測できるか？

主な発見

• 層流ダウンウェリング流れでは、ジロタクティックな藻類が平均流体の流れを上回るドリフト速度を示し、ペクレ数が増加するにつれて増大する。
• ジロタクティック細胞の有効軸方向拡散率は、ペクレ数に対して非単調な依存関係を示す（増加してから減少する）が、パッシブトレーサーとは異なり、単調に増加するだけではない。
• 一般化されたテイラー拡散モデルを用いた場合、DNS結果と理論的予測の間に良好な一致が得られた。
• 乱流流れではジロタクティック効果は弱いが、依然として識別可能であり、流体に対する細胞の平均ドリフト速度が非ゼロとして現れる。
• ジロタクティックスイマーの異常拡散行動は、両方のドリフトと拡散率がパッシブトレーサーの挙動から著しく逸脱する層流ダウンウェリング流れで最も顕著に現れる。
• これらの結果は、光バイオリアクター系において、藻類の濃度分布および輸送効率を正確に予測するためには、ジロタクティック運動を明示的にモデル化する必要があることを示している。