[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究通过直接数值模拟（DNS）和理论建模，研究了层流和湍流通道流中趋旋性游泳藻类的分散行为。结果表明，趋旋性偏置导致异常分散——其漂移速度超过平均流速，且有效扩散率非单调变化，尤其在下沉流层流中更为显著，对光生物反应器设计具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 理解剪切流与趋旋性如何影响自然与工业流体中藻类的分散行为。
• 量化粘性力矩与重力矩在将游泳藻类偏向下沉区域中的作用。
• 将直接数值模拟（DNS）与剪切流中偏置游泳细胞的理论模型进行比较。
• 评估趋旋性对层流与湍流通道流中有效轴向扩散率和平均漂移速度的影响。
• 通过考虑主动游泳效应，为优化藻类光生物反应器设计提供洞见。

提出的方法

• 采用直接数值模拟（DNS）以解析通道流中的流体流动与单个藻类细胞轨迹。
• 应用Bees与Croze（2010）的游泳分散理论，并结合广义-Taylor-分散形式化方法预测分散行为。
• 在上升流与下沉流中，评估随时间演变的分散度量对佩克莱特数与雷诺数的依赖关系。
• 通过剪切流中偏置游泳的多种描述方式，将DNS结果与理论预测进行对比。
• 利用高分辨率DNS分析湍流流动，以分离趋旋性效应与背景湍流的影响。
• 采用有效轴向扩散率与平均漂移速度等统计量，量化分散异常现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 与被动示踪剂相比，趋旋性如何改变藻类在层流通道流中的分散行为？
• RQ2 在下沉流层流中，有效轴向扩散率对佩克莱特数的依赖关系如何？
• RQ3 在湍流通道流中，趋旋性细胞的平均漂移速度与流体平均流速相比如何？
• RQ4 趋旋性效应在层流与湍流流动状态之间有何不同？
• RQ5 广义-Taylor-分散模型在存在偏置游泳的情况下，对分散行为的预测准确性如何？

主要发现

• 在层流下沉流中，趋旋性藻类表现出超过平均流速的漂移速度，且随佩克莱特数增加而增大。
• 趋旋性细胞的有效轴向扩散率对佩克莱特数呈现非单调依赖关系——先增加后减小，而被动示踪剂仅单调增加。
• 当采用广义-Taylor-分散模型描述偏置游泳细胞时，DNS结果与理论预测之间表现出极佳的一致性。
• 在湍流中，趋旋性效应较弱但仍可辨识，表现为细胞相对于流体的平均漂移速度非零。
• 趋旋性游泳者的异常分散行为在层流下沉流中最为显著，此时漂移与扩散率均显著偏离被动示踪剂行为。
• 这些发现表明，必须在光生物反应器系统中显式建模趋旋性，才能准确预测藻类浓度分布与传输效率。