On the motion of active particles in newtonian and non-newtonian liquids

Abstract

Este trabalho apresenta uma investigação sobre a locomoção de partículas e organismos em baixos números de Reynolds usando modelos matemáticos, numéricos e estudos experimentais. Primeiramente, estudamos o efeito da elasticidade do fluido na força propulsora e torque no corpo e velocidade de velocidade do nadador em termos de dois parâmetros físicos: número de Deborah (De) e número de Strouhal (Sh). Para tanto, são realizados alguns experimentos com microrganismos protótipos em movimento de escoamento rasteiro. Nos experimentos, um nadador macroscópico que se impulsiona imitando flagelos helicoidais é desenvolvido e testado. Três modelos de natação impulsionados por uma cauda helicoidal com diferentes comprimentos de onda são investigados e seus movimentos examinados para ambos os casos: quando o solvente ambiente é um fluido viscoso newtoniano puro e quando o fluido base é uma solução polimérica elástica. Além disso, também aplicamos a Slender Body Theory (SBT) e o método de Stokeslet regularizado (RSM) para calcular teoricamente a força e o torque, em função do número de Strouhal (Sh), produzidos pelo nadador helicoidal em movimento em um fluido newtoniano. Os resultados teóricos são comparados com dados experimentais e uma concordância muito boa é observada especialmente para valores mais altos de Sh dentro das barras de erro dos dados experimentais. No caso de um fluido de base não newtoniano, o problema de escoamento de um fluido elástico Oldroyd-B é resolvido numericamente usando um código computacional baseado no método dos elementos finitos (CFD). A velocidade propulsiva do nadador helicoidal é calculada em função do parâmetro elástico número de Deborah e também comparada com a observação experimental quando o fluido base não é newtoniano. É mostrado experimentalmente que a velocidade de natação aumenta à medida que o efeito elástico no fluido de base aumenta até um número de Deborah crítico O(1), quando a velocidade satura para um valor constante dentro das barras de erro experimentais. A anisotropia de velocidade medida experimentalmente pela razão da velocidade do nadador em duas direções diferentes é insensível ao efeito elástico nos fluidos de base. Completamos nossa discussão sobre o movimento de nadadores helicoidais em escoamento rastejante, apresentando uma comparação entre as previsões da velocidade da velocidade dadas pela simulação CFD usando um modelo Oldroyd–B para o fluido elástico de base e dados experimentais. A concordância entre os dois conjuntos de resultados é muito boa dentro das barras de erro experimentais para o parâmetro elástico variando de 0 a 2. Pode-se notar, entretanto, que enquanto os dados experimentais tendem a saturar em De maiores, os resultados das simulações parecem ter um aumento contínuo de acordo com o modelo constitutivo de usado para descrever o líquido elástico base. Em segundo lugar, estudamos as bactérias magnetotáticas que se tornaram foco nas pesquisas sobre mecânica dos fluidos com baixo número de Reynolds. Esses microorganismos podem nadar no sangue e possuem ímãs dentro deles. Portanto, a investigação do movimento em líquidos viscosos deste tipo de partículas ativas para o transporte de drogas na circulação sanguínea sob aplicação de um campo magnético ainda não é suficientemente conhecida. Realizamos simulações numéricas Langevin do movimento de cadeias magnéticas compostas por partículas rígidas esféricas polidispersas. A estrutura das cadeias representa um modelo bruto de uma bactéria magnetotática movendo-se em um líquido viscoso com baixo número de Reynolds e também sob a ação do movimento browniano, um campo magnético externo e sob influência de interações magnéticas dipolares. As equações governantes são feitas adimensionais e os parâmetros físicos para controlar o movimento do microrganismo são identificados. Enquanto as interações magnéticas dipolares entre as partículas são consideradas, as interações hidrodinâmicas viscosas são ignoradas nas presentes simulações. A configuração inicial da partícula magnética na simulação considera aquelas alinhadas como estrutura de cadeias com um número diferente de partículas magnéticas semelhante à estrutura de uma espinha de bactérias real que é formada por uma cadeia de cristais magnéticos. Examinamos a cinemática das bactérias magnéticas com diferentes números de partículas na cadeia.