镜像让墙面保持静止
在开阔流体里,点力的流动随距离衰减,碰不到任何东西。靠近墙时,同一股流会带着墙面上的流体滑动,无滑移条件不允许这样。Lauga 和 Powers 把补救办法称作镜像法,和静电学里的做法相似,难处在于无滑移条件要管住速度的每一个分量。
Blake 求出了平面墙旁点力的镜像系统。Daddi-Moussa-Ider 等人在方程 5 里引用了它:先写出实际间距下的自由空间流,减去墙后镜像点发出的自由空间流,再在镜像点上加一个力偶极项和一个源偶极项,权重由力离墙的高度决定。这门课没有读 Blake 的原文,下面的形式取自他们的方程 5。
完整例题
墙让一颗小球慢多少
把镜像流放回小球自身处求值,只保留半径与高度之比的最低阶。球心离墙一定高度的小球,沿墙运动时,迁移率比自由时少了这个比值的十六分之九;朝墙运动时少得更多,是这个比值的八分之九,正好两倍。
离墙十个半径时,沿墙迁移率是自由值的 0.944,垂直方向是 0.889。离墙五个半径时,分别是 0.889 和 0.775。离墙两个半径时,最低阶给出 0.719 和 0.438;靠得这样近,高阶项已经要紧,我们还没有拿这些数去和精确解比较。
垂直方向减得更多,是因为把小球下方缝隙里的流体挤出去,比让它沿缝隙滑动更费劲。对泳者来说,高度不同的小球,面对同样的力反应也不同。泳者一倾斜,两端就不在同一高度,各颗小球走得不一样快,墙就能让整个身体转起来。
墙边的三种路径
Daddi-Moussa-Ider 等人让两条手臂做简谐伸缩,相差四分之一周期,小球半径和两个振幅都取平均臂长的十分之一(方程 13 和 24)。远离墙时,泳者以他们方程 27 给出的速度前进,其中含有小球尺寸的一阶修正。靠近墙时,他们用多极展开法算迁移率,这种方法贴近墙面也算得准;他们还加了一个软排斥力,免得小球钻进墙里,并说明检查过适度改动排斥参数的情形。
结果分三种。出发时朝墙倾斜超过约 0.3 弧度,泳者会被困住:它弯着身子靠近墙,转到身体轴线垂直于墙,然后悬停在某个固定高度。从一个臂长的高度放出,它最后停在约 1.12 个臂长处。出发时背向墙倾斜超过约半个弧度,泳者就逃开了,像在开阔流体里一样直线前进。出发高度约一个臂长、姿态接近平行的一片区域里,它贴着墙滑行,高度和角度缓慢起伏。
作者指出,这种起伏比划水慢好几个数量级。他们图中画的是按划水周期平均后的位置和角度,读这些路径时,正该用这个尺度。
两篇论文对远场的分歧
离墙很远时,墙的影响衰减得多快?Zargar、Najafi 和 Miri 按臂长与高度之比展开,2009 年论文的摘要给出一个随高度平方反比下降的墙致四极力。Daddi-Moussa-Ider 等人重新算了这个问题,发现墙引起的平动速度随高度三次方反比下降,转动角速度随四次方反比下降,并说明早先的远场衰减报告有误。
读者可以用对称性检验这个分歧。Lauga 和 Powers 指出,带力偶极的泳者,不论推进型还是拉动型,墙引起的速度随高度平方反比下降。Golestanian 和 Ajdari 指出,三球泳者两条手臂平均长度相等时,力偶极相互抵消,远场的领头项是四极,比偶极多衰减一次方。Daddi-Moussa-Ider 等人研究的泳者正是这种对称的,按对称性推断,领头项应当随高度三次方反比下降。对称性检验支持他们的结果,具体系数要看他们论文第 IV 节的计算。
贴壁实验补上了什么
我们的计算:贴壁实验沿用 Daddi-Moussa-Ider 等人的泳者,小球半径一微米,臂长十微米,两臂相差四分之一周期。墙只保留远场部分,也就是小球之间的 Blake 镜像流,加上每颗小球自身迁移率的最低阶修正。泳者与墙平行时,每周期的转角随高度的四次方衰减;在十二倍臂长处,它和论文的远场公式(方程 28c)相差不到百分之一。
从十微米高处水平出发,模型泳者贴着墙滑行,高度在约六到十微米之间起伏。从二十微米出发,它反而转向墙,约 4800 个周期后到达模型的近壁极限。朝外倾斜 26 度出发,它逃离墙面;从 7.5 微米出发,它几乎在同一高度平稳滑行。只要有小球进入离墙两个半径以内,运行就停下。论文里的悬停状态要靠近壁迁移率和软排斥力,这个结局请以论文为准。