Двухмерное течение в эмульсии, содержащей активные броуновские частицы

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Acesso é pago ou somente para assinantes

Resumo

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.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

А. Киверин

Объединенный институт высоких температур РАН

Autor responsável pela correspondência
Email: alexeykiverin@ihed.ras.ru
Rússia, Москва

И. Яковенко

Объединенный институт высоких температур РАН

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

Bibliografia

  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.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Change in the root-mean-square displacement of particles MSD (1), average velocity 〈ud〉 (2) and the degree α of dependence MSD ∝ tα (3) of an active particle over time: (a) – nd = 0.2, ud = 1 mm/s; (b) – comparison of curves for α at different velocities and volume concentrations of particles: 4 – 10 mm/s, 0.2; 5 – 1, 0.2; 6 – 0.1, 0.2; 7 – 0.1, 0.6.

Baixar (33KB)
Metadados
3. Fig. 2. Change in the modulus of the rotation angle of an active particle over time at nd = 0.2, ud = 1 mm/s as a result of the action of the friction force: solid curve – average value for the ensemble of particles, dashed – value for an individual randomly selected particle.

Baixar (18KB)
Metadados
4. Fig. 3. Flow structure in an active colloidal system at nd = 0.2, ud = 1 mm/s at a fixed time: (a), (b) – distributions of active Brownian particles in the volume of liquid; (c) – velocity vectors of active particles; (d) – streamlines for the liquid phase.

Baixar (96KB)
Metadados
5. Fig. 4. Kinetic energy spectra of an ensemble of particles (a) and the surrounding liquid (b) at ud = 1 mm/s: 1 – nd = 0.2, 2 – 0.6, dashed lines – dependences characteristic of two-dimensional turbulence in inertial intervals.

Baixar (28KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025