近壁泊肃叶流中活性粒子迁移规律研究

研究活性粒子在剪切流中的迁移规律对实现颗粒分离和过程强化均具有重要意义.基于耗散粒子动力学理论,建立了描述微通道内近壁泊肃叶流中活性粒子迁移运动的数学模型,考察了活性粒子圆周运动角速度、手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数对大肠杆菌和常规活性粒子横向迁移速度和受迫转向频率的影响规律,并确定近壁剪切流中活性粒子横向迁移的形成机制.结果表明,近壁剪切流场中大肠杆菌的横向迁移速度随剪切速率增大先快速增加继而趋于稳定;大肠杆菌横向迁移速度随圆周运动角速度增大而减小,随手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数的增大而增大;大肠杆菌的受迫转向频率受圆周运动角速度、直行运动速度和转向扩散系数的影响小,而随手性诱导角速度的增大而加快;相比大肠杆菌,常规活性粒子横向迁移速度显著减小、受迫转向频率明显变慢,二者受直行运动速度和转向扩散系数的影响规律与大肠杆菌类似.直行运动是活性粒子形成横向迁移运动的前提,其他运动参数和结构参数均可一定程度促进或抑制活性粒子在近壁剪切流场中的横向迁移.

近壁剪切流中活性粒子运动特性实验研究和理论分析

活性粒子是一种具有自驱动能力的粒子,自然界中的大肠杆菌是典型的活性粒子.活性粒子在水体中的运动会受到流体剪切作用和边界约束的影响,研究大肠杆菌在近壁剪切流中的运动规律有利于加深对活性粒子一般运动规律的理解.基于微流控技术、高速显微图像采集技术和数字图像处理技术,获得大肠杆菌在近壁剪切流中运动参数的量化信息,考察流场剪切速率和大肠杆菌自驱动能力对大肠杆菌运动的影响,从全局和局部两个角度研究大肠杆菌在近壁静止水体和近壁剪切流中的运动规律.实验研究发现,近壁静止水体中大肠杆菌呈圆周运动,圆周运动角速度随大肠杆菌自驱动能力的提升而增大,大肠杆菌平均直行速度和转向频率分别随悬浮液温度升高而增大和加快;近壁剪切流中大肠杆菌随水体向下游运动的同时存在横向迁移,横向迁移速度随剪切速率先快速增大后缓慢增大至最大值,之后略微减小并最终趋于恒定,转向频率则随剪切速率的增大和悬浮液的温度升高而加快.构建并求解大肠杆菌运动的角速度模型,对比大肠杆菌横向迁移速度的理论值和实验结果证明模型可靠性较好.理论分析结果表明,大肠杆菌运动方向与壁面的夹角随剪切速率的增大而缓慢减小,而其在与壁面平行平面内的运动角则随剪切速率增大先快速减小后缓慢减小.

活性粒子强化剪切稀化流体扩散传质规律研究

选用典型模型大肠杆菌代表活性粒子,改变温度、悬浮液中菌数浓度、羧甲基纤维素钠(CMC)质量分数以及细菌活性(活菌和死菌),测量Rhodamine B在不同条件下剪切稀化流体基中的扩散系数。结果表明,大肠杆菌的加入可以有效强化Rhodamine B在剪切稀化流体基中的扩散;扩散系数与悬浮液温度和细菌菌数浓度呈正相关,而与CMC质量分数呈现出负相关;Rhodamine B的活性扩散系数与温度和菌数浓度呈正相关。均方位移随时间的变化图像表明,Rhodamine B在当前实验的时间段内表现为亚扩散行为,且随着扩散时间延长扩散指数变大。