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Sandbox Physics
低雷诺数游动 · 边学边做实验

L3 · 第 6 章

墙让每颗小球变慢,也让泳者转向

墙面上的流体必须静止,于是每个点力都在墙后多出一份镜像流,最早由 Blake 求出。靠近墙时,每颗小球都变慢,朝墙运动又比沿墙运动慢得更多。小球之间还会经由墙面互相影响,泳者因此可能转向。Daddi-Moussa-Ider 等人发现三种结局:正对墙面被困住,逃回开阔流体,或者贴着墙滑行,同时缓慢起伏。

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。

G(r,r0)=GO(s)−GO(R)+2z02 GD(R)−2z0 GSD(R)\mathbf{G}(\mathbf{r},\mathbf{r}_{0})=\mathbf{G}^{\mathrm{O}}(\mathbf{s})-\mathbf{G}^{\mathrm{O}}(\mathbf{R})+2z_{0}^{2}\,\mathbf{G}^{\mathrm{D}}(\mathbf{R})-2z_{0}\,\mathbf{G}^{\mathrm{SD}}(\mathbf{R})

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。

μ∥μ0≈1−916 ah,μ⊥μ0≈1−98 ahh=5a:μ∥μ0≈0.889,μ⊥μ0≈0.775\begin{aligned}\frac{\mu_{\parallel}}{\mu_{0}}&\approx1-\frac{9}{16}\,\frac{a}{h},\qquad\frac{\mu_{\perp}}{\mu_{0}}\approx1-\frac{9}{8}\,\frac{a}{h}\\h=5a&:\qquad\frac{\mu_{\parallel}}{\mu_{0}}\approx0.889,\qquad\frac{\mu_{\perp}}{\mu_{0}}\approx0.775\end{aligned}

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。

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. Lauga 和 Powers 说,扇贝定理在墙边照样成立。先预测:两条手臂一起来回伸缩、没有相位差时,“沿壁前进距离”会怎样变化?
  2. 运行“原路往返,贴壁也游不动”,看“沿壁前进距离”。再依次运行“贴着壁面滑行”“起点更高,反而转向壁面”和“朝外起步,逃离壁面”,比较“离壁高度”和“朝壁倾角”。
  3. 解释为什么划水路径围成一个圈时,墙会让泳者转向;而在同一面墙边原路往返,泳者仍旧留在原地。

贴壁实验只保留墙的远场项,小球离墙进入两个半径以内时,运行就停下。

试着自己解释

1. 一颗小球离墙四个半径。按最低阶,墙让它沿墙和朝墙的迁移率各降到原来的多少?

展开答案与解释

沿墙方向是一减六十四分之九,约 0.86;朝墙方向是一减三十二分之九,约 0.72。

2. 贴着无滑移墙面做往复划法,能有净前进吗?

展开答案与解释

留在原地。扇贝定理的证明只用到斯托克斯方程的线性和与时间无关两点,有墙时两点照样成立,前后两半像在开阔流体里一样相互抵消。

3. 三球泳者内部的力都沿身体轴线,墙为什么还能让它转向?

展开答案与解释

泳者一倾斜,各颗小球就处在不同高度。墙对每颗小球的减速各不相同,既有直接作用,也有经由邻球镜像流的作用。身体各处速度不等,合起来就是转动。

4. 一个带力偶极的推进型泳者和一个对称三球泳者,离墙同样远。墙引起的漂移各随高度怎样变化?

展开答案与解释

推进型泳者的漂移随高度平方反比下降;对称泳者的漂移随高度三次方反比下降,因为它的力偶极抵消了。离墙远时,对称泳者感受到的墙要弱得多。

可以放在旁边读的来源

  1. Lauga & Powers, The hydrodynamics of swimming microorganisms, arXiv:0812.2887v1 (2008); Reports on Progress in Physics 72, 096601 (2009)

    读的是预印本。第 3、4 节给出斯托克斯方程、点力流场和扇贝定理的证明;第 5 至 7 节讲阻力系数理论、柔性细丝、壁面和同步。

  2. Golestanian & Ajdari, Three-sphere low Reynolds number swimmer revisited, arXiv:0711.3700v1 (2007); Physical Review E 77, 036308 (2008)

    读的是预印本第 1 版,没有核查期刊版。用到方程 1 至 6、9、12、13、16,第 IV 节的远场流动,以及脚注 23。

  3. Daddi-Moussa-Ider, Lisicki, Hoell & Löwen, Swimming trajectories of a three-sphere microswimmer near a wall, arXiv:1801.01162v2 (2018)

    读的是预印本第 2 版,没有核查期刊版。用到方程 4 至 7、13、24、27,三类轨迹,以及远场讨论。

  4. Zargar, Najafi & Miri, Three-sphere low-Reynolds-number swimmer near a wall, Physical Review E 80, 026308 (2009)

    只读了摘要。这里引用它,是因为后来的论文重新检查了其中的远场结论。

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