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第19卷第3期
浸没边界法模拟生物膜的变形和剥离

Rangarajan Sudarsan、Sudeshna Ghosh、John M.Stockie和Hermann J.Eberl

Commun公司。计算。物理。,19(2016),第682-732页。

在线发布:2018-04

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  • 摘要

我们使用浸没边界(或IB)方法来模拟变形以及周期性排列的壁状生物膜菌落的脱落线性剪切流。生物膜材料表现为胡克泉网络沿着生物膜区域的三角形边缘放置。界面作用在生物膜菌落上的剪切应力、升力和阻力计算如下使用Williams、Fauci和Gaver开发的流体应力跳跃法[Disc.Contin。动态。系统。B 11(2):519–540,2009],以及其排除过滤器的修改版本。我们的分离标准基于平均等效的新概念在生物膜的每个IB点定义的连续应力张量,然后用于确定相应的von Mises屈服应力;只要屈服应力超过给定临界阈值,与该节点的连接将断开,从而向脱离事件的开始。为了捕捉变形和脱离行为对于处于不同生长阶段的生物膜菌落,我们考虑一个四口之家生物膜形状随纵横比变化。对于每个纵横比,我们都改变了间距在群体之间调查空间聚集在提供防御措施中的作用超脱。我们的数值模拟侧重于弱生物膜的行为(相对较低的屈服应力阈值),并研究流体-结构相互作用的特征例如最大剪力和增加阻力的位置。最重要的这项工作的结论是:(a)减少菌落间距会减少阻力从50%到100%,并改变了界面剪切应力分布,这表明由于保护作用,即使是较弱的生物膜也可能长成高大的结构它们从与其他殖民地的空间接近中获益;(b) 常用的分遣队生物膜模型中基于界面剪切应力的策略可能导致应用于剪切诱导剥离研究时的错误或不准确结果脆弱的生物膜。基于等效连续应力的分离策略提供统一一致的IB框架,处理生物膜脱落的脱落和侵蚀模式,并与许多其他基于连续体的生物膜模型。

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我们使用浸没边界(或IB)方法来模拟变形以及周期性排列的壁状生物膜菌落的脱落线性剪切流。生物膜材料表现为胡克泉网络沿着生物膜区域的三角形边缘放置。界面作用在生物膜菌落上的剪切应力、升力和阻力计算如下使用Williams、Fauci和Gaver开发的流体应力跳跃法[Disc.Contin。动态。系统。B 11(2):519–540,2009],以及其排除过滤器的修改版本。我们的分离标准基于平均等效的新概念在生物膜中的每个IB点定义的连续应力张量,然后用于确定相应的von Mises屈服应力;只要屈服应力超过给定临界阈值,与该节点的连接将断开,从而向脱离事件的开始。为了捕捉变形和脱离行为对于处于不同生长阶段的生物膜菌落,我们考虑一个四口之家生物膜形状随纵横比变化。对于每个纵横比,我们都改变了间距在群体之间调查空间聚集在提供防御措施中的作用超脱。我们的数值模拟侧重于弱生物膜的行为(相对较低的屈服应力阈值),并研究流体-结构相互作用的特征例如最大剪力和增加阻力的位置。最重要的这项工作的结论是:(a)减少菌落之间的间距会减少从50%拖至100%并改变界面剪切应力剖面,表明由于保护作用,即使是较弱的生物膜也可能长成高大的结构它们从与其他殖民地的空间接近中获益;(b) 常用的分遣队生物膜模型中基于界面剪切应力的策略可能导致应用于剪切诱导剥离研究时的错误或不准确结果脆弱的生物膜。基于等效连续应力的分离策略提供统一一致的IB框架,处理生物膜脱落的脱落和侵蚀模式,并与许多其他基于连续体的生物膜模型。

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我们使用浸没边界(或IB)方法来模拟变形以及周期性排列的壁状生物膜菌落的脱落线性剪切流。生物膜材料表现为胡克泉网络沿着生物膜区域的三角形边缘放置。界面作用在生物膜菌落上的剪切应力、升力和阻力计算如下使用Williams、Fauci和Gaver开发的流体应力跳跃方法[Disc.Contin。动态。系统。B 11(2):519–540,2009],以及其排除过滤器的修改版本。我们的分离标准基于平均等效的新概念在生物膜中的每个IB点定义的连续应力张量,然后用于确定相应的von Mises屈服应力;只要屈服应力超过给定临界阈值,与该节点的连接将断开,从而向脱离事件的开始。为了捕捉变形和脱离行为对于处于不同生长阶段的生物膜菌落,我们考虑一个四口之家生物膜形状随纵横比变化。对于每个纵横比,我们都改变了间距在群体之间调查空间聚集在提供防御措施中的作用超然。我们的数值模拟侧重于弱生物膜的行为(相对较低的屈服应力阈值),并研究流体-结构相互作用的特征例如最大剪力和增加阻力的位置。最重要的这项工作的结论是:(a)减少菌落间距会减少从50%拖至100%并改变界面剪切应力剖面,表明由于保护作用,即使是较弱的生物膜也可能长成高大的结构它们从与其他殖民地的空间接近中获益;(b) 常用的分遣队生物膜模型中基于界面剪切应力的策略可能导致应用于剪切诱导剥离研究时的错误或不准确结果脆弱的生物膜。基于等效连续应力的分离策略提供统一一致的IB框架,处理生物膜脱落的脱落和侵蚀模式,并与许多其他基于连续体的生物膜模型。

Rangarajan Sudarsan、Sudeshna Ghosh、John M.Stockie和Hermann J.Eberl。(2020). 用浸没边界法模拟生物膜的变形和剥离。计算物理中的通信.19(3).682-732.doi:10.4208/cicp.161214.021015a
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