[论文解读] Active Turbulence

Ricard Alert, Jaume Casademunt+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Micro and Nano Robotics参考文献 165被引用 4

一句话总结

本综述统一了极性与近晶型活性流体（无论是否满足动量守恒）中主动湍流的研究，揭示了具有普适或非普适指数的幂律标度。该综述将活性系统中的混沌流动与惯性湍流进行对比，强调由于内在长度尺度和自组织能量注入，缺乏能量级联现象。

ABSTRACT

Active fluids exhibit spontaneous flows with complex spatiotemporal structure, which have been observed in bacterial suspensions, sperm cells, cytoskeletal suspensions, self-propelled colloids, and cell tissues. Despite occurring in the absence of inertia, chaotic active flows are reminiscent of inertial turbulence, and hence they are known as active turbulence. Here, we survey the field, providing a unified perspective over different classes of active turbulence. To this end, we divide our review in sections for systems with either polar or nematic order, and with or without momentum conservation (wet/dry). Comparing to inertial turbulence, we highlight the emergence of power-law scaling with either universal or non-universal exponents. We also contrast scenarios for the transition from steady to chaotic flows, and we discuss the absence of energy cascades. We link this feature to both the existence of intrinsic length scales and the self-organized nature of energy injection in active turbulence, which are fundamental differences with inertial turbulence. We close by outlining the emerging picture, remaining challenges, and future directions.

研究动机与目标

• 为理解细菌悬浮液、细胞骨架网络和细胞组织等多样化系统中的主动湍流提供统一框架。
• 将主动湍流与惯性湍流进行比较，重点关注缺乏能量级联现象以及内在长度尺度的作用。
• 分析湿（动量守恒）与干（动量非守恒）系统中，活性流体从稳定流到混沌流的转变，识别不同情景。
• 阐明自组织能量注入在塑造主动湍流时空复杂性中的作用。
• 概述主动物质物理领域中的开放挑战与未来研究方向。

提出的方法

• 将主动湍流系统分类为四类：极性/近晶型有序与湿/干（动量守恒/非守恒）系统。
• 使用流体力学方程建模活性流体动力学，整合活性应力与噪声项。
• 通过相关函数与结构因子的幂律拟合分析标度行为。
• 比较能量传递机制，强调主动系统中缺乏正向能量级联现象。
• 从相关函数与动态标度压缩中识别内在长度尺度。
• 应用重整化群与模式耦合技术研究临界行为及向混沌的相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 主动湍流中相关函数的幂律标度指数在普适与非普适区域之间有何差异？
• RQ2 什么机制控制活性流体中从稳定流到混沌流的转变？
• RQ3 为何主动湍流系统缺乏能量级联，而惯性湍流却存在？
• RQ4 内在长度尺度与自组织能量注入如何塑造主动湍流的动力学？
• RQ5 在动量守恒与流动结构方面，湿与干主动湍流的关键差异是什么？

主要发现

• 主动湍流在相关函数中表现出幂律标度，其指数可为普适或非普适，取决于系统对称性与守恒定律。
• 主动湍流中缺乏能量级联归因于自组织的局部能量注入以及内在长度尺度的存在。
• 惯性湍流具有正向能量级联，而主动湍流由于缺乏动量守恒且活性应力占主导，不表现出此类级联。
• 具有极性有序的系统与近晶型系统相比，表现出不同的流动模式与标度行为，尤其在动量守恒条件下更为显著。
• 湿（动量守恒）与干（动量非守恒）系统中，活性流体从稳定流到混沌流的转变由不同机制控制。
• 主动湍流中的涌现长度尺度源于活性应力、流体动力相互作用与噪声的相互作用，影响系统的动态标度。