Двухмерное течение в эмульсии, содержащей активные броуновские частицы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе предложена двухфазная гидродинамическая модель для описания течений, возникающих в тонком слое эмульсии, содержащей активные броуновские частицы (капли). Продемонстрированы особенности формируемых в эмульсии двухмерных течений. Показано, что при коллективном движении активных капель кинетическая энергия распределяется по пространственным масштабам в соответствии с закономерностями, присущими развитым турбулентным течениям, включая передачу энергии крупным масштабам и формирование крупномасштабных вихревых структур. Кинетическая энергия, передаваемая от капель жидкой фазе, сосредоточена в коротковолновых возмущениях, определяющих механизм смены направления движения капель в дополнение к их диффузионному вращению и повороту в результате отталкивания при столкновении с другими каплями.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Д. Киверин

Объединенный институт высоких температур РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: alexeykiverin@ihed.ras.ru
Россия, Москва

И. С. Яковенко

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: alexeykiverin@ihed.ras.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Арансон И.С. Активные коллоиды // УФН. 2013. Т. 183. № 1. С. 87.
  2. Kichatov B., Korshunov A., Sudakov V. et al. Pattern Formation and Collective Effects During the Process of the Motion of Magnetic Nanomotors in Narrow Channels // Phys. Chem. Chem. Phys. 2023. V. 25. № 16. P. 11780.
  3. Lin R., Yu W., Chen X., Gao H. Self-Propelled Micro/Nanomotors for Tumor Targeting Delivery and Therapy // Adv. Healthcare Mater. 2021. V. 10. № 1. P. 2001212.
  4. Yang Z., Snyder D., Sathyan A. et al. Smart Droplets Stabilized by Designer Surfactants: From Biomimicry to Active Motion to Materials Healing // Adv. Functional Mater. 2023. V. 33. № 52. P. 2306819.
  5. Васильев М.М., Алексеевская А.А., Косс К.Г. и др. Самоорганизация кластеров активных броуновских частиц в коллоидной плазме при воздействии лазерного излучения // ТВТ. 2023. Т. 61. № 6. С. 825.
  6. Dunkel J., Heidenreich S., Drescher K. et al. Fluid Dynamics of Bacterial Turbulence // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. № 22. P. 228102.
  7. Kichatov B., Korshunov A., Sudakov V. et al. Superfast Active Droplets as Micromotors for Locomotion of Passive Droplets and Intensification of Mixing // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. V. 13. № 32. P. 38877.
  8. Petrov O.F., Statsenko K.B., Vasiliev M.M. Active Brownian Motion of Strongly Coupled Charged Grains Driven by Laser Radiation in Plasma // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 8618.
  9. Bárdfalvy D., Nordanger H., Nardini C. et al. Particle-resolved Lattice Boltzmann Simulations of 3-dimensional Active Turbulence // Soft Matter. 2019. V. 15. P. 7747.
  10. Slomka J., Dunkel J. Generalized Navier–Stokes Equations for Active Suspensions // Eur. Phys. J.: Spec. Top. 2015. V. 224. № 7. P. 1349.
  11. Вараксин А.Ю. Двухфазные потоки с твердыми частицами, каплями и пузырями: проблемы и результаты исследований // ТВТ. 2020. Т. 58. № 4. С. 646.
  12. Lisin E., Vaulina O., Lisina I., Petrov O. Active Brow-nian Particle in Homogeneous Media of Different Viscosities: Numerical Simulations // Phys. Chem. Chem. Phys. 2021. V. 23. № 30. P. 16248.
  13. McGrattan K., McDermott R., Hostikka S. et al. Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical Model: Tech. Rep. NIST Special Publication 1018-1 / Gaithersburg, MD: U.S. Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology, 2019. P. 173.
  14. Kiverin A., Melnikova K., Yakovenko I. Dynamic Loads Induced by Near-limit Turbulent Hydrogen-air Combustion Inside a Confinement // Process Saf. Environ. Prot. 2024. V. 189. P. 728.
  15. Яковенко И.С., Киверин А.Д. Развитие нестационарных процессов горения во вспененных эмульсиях // ТВТ. 2022. Т. 60. № 6. С. 928.
  16. Kraichnan R.H. Inertial Ranges in Two-dimensional Turbulence // Phys. Fluids. 1967. V. 10. № 7. P. 1417.
  17. Verma M.K., Donzis D. Energy Transfer and Bottleneck Effect in Turbulence // J. Phys. A: Math. Theor. 2007. V. 40. № 16. P. 4401.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изменение среднеквадратичного смещения частиц MSD (1), средней скорости ⟨ud⟩ (2) и степени α зависимости MSD ∝ tα (3) активной частицы во времени: (а) – nd = 0.2, ud = 1 мм/с; (б) – сравнение кривых для α при различных скоростях и объемных концентрациях частиц: 4 – 10 мм/с, 0.2; 5 – 1, 0.2; 6 – 0.1, 0.2; 7 – 0.1, 0.6.

Скачать (33KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение модуля угла поворота активной частицы во времени при nd = 0.2, ud = 1 мм/с в результате воздействия силы трения: сплошная кривая – среднее значение по ансамблю частиц, штриховая – значение для отдельной случайно выбранной частицы.

Скачать (18KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Структура течения в активной коллоидной системе при nd = 0.2, ud = 1 мм/с в фиксированный момент времени: (а), (б) – распределения активных броуновских частиц в объеме жидкости; (в) – векторы скорости активных частиц; (г) – линии тока для жидкой фазы.

Скачать (96KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Спектры кинетической энергии ансамбля частиц (а) и окружающей жидкости (б) при ud = 1 мм/с: 1 – nd = 0.2, 2 – 0.6, штриховые линии – характерные для двухмерной турбулентности зависимости в инерционных интервалах.

Скачать (28KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025