活性流体流变行为的布朗动力学模拟研究1)

许晓飞 童松豪 张 达 董 超 刘凤霞 魏 炜 刘志军

(大连理工大学流体与粉体工程研究设计所，辽宁大连 116012)

引言

存在于自然界中(如大肠杆菌[1])或是人工合成的(如Janus 粒子[2])活性粒子(active particles)能够将其周围环境中各种形式的能量转化为空间运动的动能，驱动自身运动并扰动周围流场.包含大量活性粒子的悬浮液被称为活性流体(active fluids).被动粒子(passive particles)则是指那些不能自发运动，只能通过布朗运动和流体对流输运发生迁移的粒子.由于活性粒子的自驱动性，活性流体属于一种不遵循能量耗散定理的非平衡体系，具有与被动流体(passive fluids)完全不同的物理特性，例如生物湍流[3]、相分离行为[4]、超扩散现象[5]和特殊流变行为[6]等.深入研究活性流体流变学不仅有助于理解生物物理学的基本过程、更好地控制微生物输运过程中生物膜的形成以及改善微流控设备中的混合过程，更重要的是可以为当前新材料的开发提供设计帮助[7-8].活性粒子一般为亚微米级或微米级[9-10]，当前实验研究主要专注于宏观流变行为[11-12]，而借助数值模拟的方法可以通过再现活性粒子的自驱动行为，从介观尺度分析宏观流变行为的形成机理，也能研究外部剪切流与活性粒子自驱动行为之间的耦合作用，因此逐渐引起学者们的关注.

活性粒子可以响应外部流场的剪切作用，在活性流体中产生“润滑”作用，使悬浮液的黏度下降，甚至有可能使宏观黏度降至液相黏度之下[13-16].Sokolov和Aranson[17]首次完成细菌悬浮……