×

对磁性游泳者在复杂波浪槽中通过非牛顿流体推进的隐式有限差分分析。 (英语) Zbl 1437.65158号

小结:有许多单细胞微小生物可以通过产生波动变形的方式,通过非牛顿流体集体自我推进。例如线虫、杆状细菌和精子。在这里,我们使用泰勒的游泳板模型,非牛顿流体与二维渠道的复杂波浪壁相结合。Oldroyd-4恒定液体近似为宫颈粘液,也考虑了MHD效应。利用润滑和蠕动流假设,求解简化的非线性微分方程(采用隐式有限差分技术),使其满足稳态推进的动态平衡条件。对于一个特殊的(牛顿)情况,也给出了游泳速度和流速的表达式。我们还证明,非牛顿流体的流变特性可以帮助或抵抗微生物的聚集(游泳板),而游泳运动员体内较大的波动幅度和向下的磁场可以提高推进速度。通过隐式有限差分法获得的解也通过MATLAB程序bvp-4c进行了验证。此内置函数基于搭配技术。此外,这两种数值方法都获得了良好的相关性。

MSC公司:

65号06 含偏微分方程边值问题的有限差分方法
65号35 偏微分方程边值问题的谱、配置及相关方法
76A05型 非牛顿流体
76周05 磁流体力学和电流体力学
76Z10号 水和空气中的生物推进
35问题35 与流体力学相关的PDE

软件:

Matlab公司
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] Purcell,E.M.,《低雷诺数下的寿命》,Amer。《物理学杂志》。,45, 3-11 (1977)
[2] Purcell,E.M.,《鞭毛旋转推进效率》,Proc。国家。阿卡德。科学。,94, 11307-11311 (1977)
[3] 布伦南,C。;Winet,H.,纤毛和鞭毛推动的流体力学,年。流体力学版次。,9, 339-398 (1977) ·兹比尔0431.76100
[4] Lauga,E。;Powers,T.R.,《游泳微生物的流体动力学》,众议员进展。物理。,72, 096601-096637 (2009)
[5] 阿里,N。;阿斯加尔,Z。;俄亥俄州安瓦尔·贝格。;Sajid,M.,《非牛顿黏液层上的细菌滑动流体动力学:扰动和数值研究》,J.Theor。生物学,397,22-32(2016)·Zbl 1343.92298号
[6] 阿斯加尔,Z。;阿里,N。;Sajid,M.,细菌滑动运动和黏液流变特性的相互作用,数学。生物科学。,290, 31-40 (2017) ·Zbl 1375.92010年
[7] 阿斯加尔,Z。;阿里,N。;俄亥俄州安瓦尔·贝格。;Javed,T.,在滑移边界条件下,微孔黏液对细菌滑动运动的流变学影响,Phys。,9, 682-691 (2018)
[8] 阿斯加尔,Z。;Ali,N.,细菌在倾斜固体基质附近运动的数学模型:不同波形和耦合应力黏液流变特性的影响,Can。《物理学杂志》。,97, 537-547 (2019)
[9] Jennings,H.S.,《低等生物的行为》(1906),哥伦比亚大学出版社:哥伦比亚大学出版社,纽约
[10] Taylor,G.I.,《微生物游动分析》,Proc。R.Soc.伦敦。序列号。数学。物理学。工程科学。,209, 447-461 (1951) ·Zbl 0043.40302号
[11] Taylor,G.I.,《摆动圆柱形尾巴在推动微生物中的作用》,Proc。R.Soc.伦敦。序列号。数学。物理学。工程科学。,211, 225-239 (1952) ·Zbl 0046.18904号
[12] Hancock,G.J.,《微生物通过液体的自我脉动》,Proc。R.Soc.伦敦。序列号。A、 21796-121(1953)·Zbl 0050.19302号
[13] 格雷,J。;Hancock,G.J.,海胆精子的推进,《实验生物学杂志》。,32, 802-814 (1955)
[14] Drummond,J.E.,《粘性流体中振动板和管的推进》,J.流体力学。,25, 787-793 (1966)
[15] 雷诺兹,A.J.,《微小生物的游动》,J.流体力学。,23, 241-260 (1965)
[16] Tuck,E.O.,《关于游泳问题的注释》,J.流体力学。,305-308年(1968年)
[17] 沙克·W·J。;Lardner,T.J.,一种用于微生物在通道中游动的长波溶液,公牛。数学。《生物学》,36,435-444(1974)·Zbl 0285.92012号
[18] Katz,D.F.,《关于固体边界附近微生物的推进》,J.流体力学。,64, 33-49 (1974) ·Zbl 0297.76089号
[19] Shukla,J.B。;拉奥,B.R.P。;Parihar,R.S.,《精子在宫颈中的游动:动力相互作用和外周层粘度的影响》,J.Biomech。,11, 15-19 (1978)
[20] 斯迈塞,R.E。;沙克·W·J。;Lardner,T.J.,《精子在活动通道中的游动》,J.Biomech。,7, 349-355 (1974)
[21] Shukla,J.B。;Chandra,P。;Sharma,R.,微生物运动通道壁的蠕动和纵波运动的影响:在精子运输中的应用,J.Biomech。,21, 947-954 (1988)
[22] Radhakrishnamacharya,G。;Sharma,R.,蠕动下通道中自投掷微生物的运动:粘度变化的影响,非线性分析。型号。,12, 409-418 (2007) ·Zbl 1134.92011年
[23] 乔杜里,T.K.,《关于在粘弹性液体中游泳》,J.流体力学。,95, 189-197 (1979) ·Zbl 0428.76110号
[24] Sturges,L.D.,波动板引起的运动,J.非牛顿。流体力学。,8, 357-364 (1981) ·Zbl 0468.76129号
[25] 萨吉德,M。;阿里,N。;俄亥俄州安瓦尔·贝格。;Siddiqui,A.M.,《单鞭毛微生物在磁流体动力学二阶流体中的游动》,J.Mech。医学生物学。,17,第1750009条pp.(2017)
[26] Lauga,E.,《粘弹性流体中的推进》,Phys。流体,19,第083104条,pp.(2007)·Zbl 1182.76430号
[27] 萨吉德,M。;阿里,N。;西迪基,A.M。;阿巴斯,Z。;Javed,T.,渗透性对Oldroyd-B流体中微生物游动的影响,J.多孔介质,17,59-66(2014)
[28] 阿里,N。;萨吉德,M。;阿巴斯,Z。;Anwar Bég,O.,微生物在偶应力流体中的游泳动力学:胚胎学流体动力学推进的流变模型,J.Mech。医学生物学。,17,第1750054条pp.(2017)
[29] 辛哈,P。;辛格,C。;Prasad,K.R.,《宫颈管内精子自脉动的微连续分析》,国际工程科学杂志。,20, 1037-1048 (1982) ·Zbl 0499.76119号
[30] 菲利普,D。;Chandra,P.,《微大陆精子的自我推进:通道壁横波运动的影响》,Arch。申请。机械。,66, 90-99 (1995) ·兹比尔08377.6100
[31] 新泽西州巴尔姆福思。;库姆斯,D。;Pachmann,S.,复杂流体中固体边界附近游泳生物的微弹性流体力学,Q.J.Mech。申请。数学。,63, 267-294 (2010) ·Zbl 1346.76217号
[32] 托马斯·艾夫斯。;亚历山大·莫罗佐夫(Alexander Morozov),《固体边界附近粘弹性流体中模型微旋流器的推进机制》(Phys)。流体,29,第121612条,pp.(2017)
[33] 阿斯加尔,Z。;阿里,N。;Sajid,M.,复杂流变液对通过刚性颈椎管的微生物的机械影响:在低雷诺数下游泳,J.Braz。Soc.机械。科学。工程师,40,1-16,475(2018)
[34] 阿里,N。;阿斯加尔,Z。;萨吉德,M。;Anwar Bég,O.,通过活跃通道内的生物流变液推进的磁性微丝,J.Magn。Magn.公司。材料。,486,第165283条pp.(2019)
[35] 邦德·D·R。;霍姆斯,D.E。;投标,L.M。;Lovley,D.R.,从海洋沉积物中获取能量的电极还原微生物,《科学》,295483-485(2002)
[36] 苏多,S。;Segawa,S。;Honda,T.,粘性液体中的磁性游泳机制,J.Intell。马特。系统。结构。,17, 729-736 (2006)
[37] Ansari,A.R。;西迪基,A.M。;Hayat,T.,磁流体中单个鞭毛微生物游泳问题的分析,非线性动力学。,51, 477-481 (2008) ·Zbl 1170.76370号
[38] Ansari,A.R。;西迪基,A.M。;Hayat,T.,对单鞭毛微生物在流经多孔介质的MHD流体中游泳问题的分析,非线性分析。RWA,11,22-28(2010年)·Zbl 1178.92004号
[39] Gauger,E。;M.唐顿。;Stark,H.,《磁性人工纤毛在低雷诺数下的流体传输》,《欧洲物理学》。J.E,28,231-242(2009)
[40] 贝洛夫斯,M。;Cebers,A.,铁磁微丝,Phys。E版,79,第051503条,第(2009)页
[41] 高,W。;卡根,D。;巴基斯坦,O.S。;Clawson,C。;坎普扎诺,S。;楚伦-埃尔丁,E。;希普顿,E。;Fullerton,E.E。;张,L。;Lauga,E。;Wang,J.,用于靶向药物递送的货物-机翼无燃料磁性纳米wimmers,Small,8460-467(2012)
[42] Gadelha,H.,《关于磁性游泳运动员的最佳体型》,Regul。混沌动力学。,18, 75-84 (2013) ·Zbl 1273.76461号
[43] 特梅尔,F.Z。;Bezer,A.E。;Yesilvurt,S.,《磁场信道网络中微型机器人的导航》(IEEE(电气与电子工程师学会),国际机器人与自动化协会。IEEE(电气与电子工程师学会),国际Conf机器人与自动化,ICRA 2013(2013),IEEE:IEEE美国),5月
[44] 特梅尔,F.Z。;Yesilvurt,S.,生物吸气磁性微螺旋体在矩形通道中的受限游泳,(美国物理学会流体动力学司第67届年会(2014年),APS:APS旧金山,加利福尼亚州),11月
[45] Y.Lee,(博士论文),宾夕法尼亚州立大学,2004年。
[46] P.J.Carreau,(博士论文),威斯康星大学麦迪逊分校,1968年·Zbl 0193.11703号
[47] 麦克斯韦,J.C.,《气体动力学理论》,菲洛斯。事务处理。R.Soc.伦敦。A、 157、26-78(1866)
[48] 伯德·R·B。;R.C.阿姆斯特朗。;Hassager,O.,《聚合物液体动力学》,第1卷(1977年),威利出版社:威利纽约
[49] Tian,S.F.,通过Fokas方法在半线上的混合耦合非线性Schrödinger方程,Proc。R.Soc.A-数学。物理。,472、2195,文章20160588 pp.(2016)·Zbl 1371.35278号
[50] Tian,S.F.,通过Fokas方法求解区间上一般耦合非线性Schrödinger方程的初边值问题,J.微分方程,262,1,506-558(2017)·兹比尔1432.35194
[51] Tian,S.F.,弱耗散修正双分量Dullin-Gottwald-Holm系统的渐近行为,应用。数学。莱特。,83, 65-72 (2018) ·Zbl 1482.35044号
[52] 彭伟强。;田世芳。;邹,L。;Zhang,T.T.,(2+1)维广义Caudrey-Dodd-Gibon-Kotera-Sawada方程中孤立波和块波与相互作用现象的特征,非线性动力学。,93, 4, 1841-1851 (2018) ·Zbl 1398.37066号
[53] 田,S.F。;Zhang,T.T.,带时间周期边界条件的Gerdjikov-Ivanov型导数非线性Schrödinger方程的长时间渐近行为,Proc。阿米尔。数学。Soc.,146,4,1713-1729(2018)·Zbl 1427.35259号
[54] Tian,S.F.,弱耗散修正双分量Dullin-Gottwald-Holm系统的无限传播速度,应用。数学。莱特。,89, 1-7 (2019) ·Zbl 1407.35066号
[55] Feng,L.L。;田,S.F。;Zhang,T.T.,海森堡铁磁性非均匀五阶非线性薛定谔方程的孤立波、呼吸波和游荡波解,落基山数学杂志。,49, 1, 29-45 (2019) ·Zbl 1412.35306号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。