趨地性生物對流的數(shù)值研究.pdf

1、微生物培養(yǎng)中，由于微生物的趨向性運動造成了流體的非穩(wěn)定密度分布，由此引發(fā)的宏觀對流稱為生物對流。研究生物對流有助于了解其形成、發(fā)展、流型和流動特性，在微生物研究、環(huán)境治理、微重力條件對細(xì)胞影響等相關(guān)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力。 本文采用數(shù)值解析方法，分別對壁面無滲透，封閉腔體中充滿牛頓流體并懸浮有一定濃度微生物的二維和三維容器內(nèi)趨地性生物對流現(xiàn)象進(jìn)行了研究，以控制容積法離散化方程，計算得到流場的模擬結(jié)果，并考察了細(xì)胞密度和運動能力對流

2、動形態(tài)和細(xì)胞濃度分布的影響。 對二維長方體容器中趨地性生物對流的數(shù)值模擬結(jié)果表明：在計算開始后細(xì)胞迅速向溶液上方聚集，大約50秒左右即可形成初步的對流。隨著對流的發(fā)展，小型的對流逐漸合并為位于容器中央的一個大型流股，其長度也越來越大，直至達(dá)到容器底部。在300秒時對流即達(dá)到穩(wěn)定。對流穩(wěn)定時容器內(nèi)的微生物大部分均集中在流股區(qū)域內(nèi)，容器頂部的細(xì)胞沿流股陷落，到達(dá)流股底端向四周散開，一方面隨流動的流體，一方面靠自身的運動能力向上運動，

3、重新返回上層。細(xì)胞密度p和細(xì)胞運動速度V<,c>均會對對流的形態(tài)產(chǎn)生影響。p的減小和V<,c>的增大均可以增強(qiáng)細(xì)胞運動能力，促進(jìn)對流流動，減小流股長度，使細(xì)胞傾向于向流股頂端分布。兩種情況的區(qū)別在于p對于流動穩(wěn)定性的影響要大于V<,c>；V<,c>的增大會使細(xì)胞較早從流股脫離，加入向上的流動，明顯增強(qiáng)流股兩側(cè)對流中心處的流動，而p對于對流中心處的影響很有限。 對三維圓柱體容器中趨地性生物對流的數(shù)值模擬結(jié)果表明：對流發(fā)展情況與二維

4、模型時類似，上層濃度隨時間持續(xù)增大，50秒后在流體表面開始形成初步對流并在計算開始后400s時達(dá)到穩(wěn)定。與二維情形不同的是，除容器中心處的主流外，還存在有規(guī)律排列的、穩(wěn)定的小規(guī)模對流。小規(guī)模對流分布在距離柱體中心0.002m處的圓周上，長度大致為容器深度的1/5～1/10。在大尺寸的空間中，這些小規(guī)模對流有可能發(fā)展成為鄰近的完整流股。細(xì)胞密度p和運動速度V<,c>對流動的影響與二維情況下類似，都是通過改變細(xì)胞運動能力影響對流的形態(tài)。改變