生物对流现象的力学机理研究与数值模拟

Bioconvection is an important phenomenon in aquatic environments, affecting the spatial distribution of motile micro-organisms and enhancing mixing within the fluid. However, stratification arising from thermal or solutal gradients can play a pivotal role in suppressing the bioconvective flows, leading to the aggregation of micro-organisms and growth of their patchiness. The present research project includes the following stages: (1) the characteristic of parameters of steady and non-steady solutions in gravity-driven flow field; (2) the non-Newtonian characteristic of suspension on the stability of bioconvection; (3) the research on the multiphysical problems of bioconvection; (4) the numerical simulation of bioconvection. The aim of the present reseach project is to reveal the physical mechanism of nonlinear dynamic stability of bioconvection, to provide the theoretical basis for the applications of bioconvection. The results of the present research project will not only give the scientific explanation for the experimental phenomena, but also provide the scientific basis to predict or control the bioconvection.

生物对流现象是微生物实验和水文环境学中的常见现象，它不仅可以促进物质交换，还可以改善微生物的生存环境和水体环境，因而研究生物对流现象具有重要的科学意义和应用价值。本项目以对流的产生和演化为研究对象，通过力学模型架构、数值模拟等手段研究复杂实验条件下的生物对流现象，并将所得理论研究成果与已有的实验数据相比较得出结论。主要研究内容包括：重力驱动流场在定态解和振荡解时各参量时空特征，悬浮液的非牛顿流特性对生物对流不稳定性的影响，多场效应下的生物对流问题，以及生物对流流动结构数值分析等四个方面。通过本项目的研究，我们力图揭示生物对流现象的非线性动力学机制，从力学和数学的角度定性定量的描述不同实验条件下的对流斑图的形成，科学地解释不同外界条件和物理参数对生物对流演绎过程的影响，为相关的微生物实验现象提供科学的解释，也为控制和利用生物对流这一物理现象奠定理论基础。

生物对流现象是微生物实验和水文环境学中的常见现象，它不仅可以促进物质交换，还可以改善微生物的生存环境和水体环境，因而研究生物对流现象具有重要的科学意义和应用价值。本项目主要研究内容包括：重力驱动流场在定态解和振荡解时各参量时空特征，悬浮液的非牛顿流特性对生物对流不稳定性的影响，多场效应下的生物对流问题，以及生物对流流动结构数值分析等四个方面。研究发现，对于幂率流体而言，随着幂律流体的速度增大，幂律指数对生物对流稳定性的影 响会发生变化，并且这种变化会受到热瑞利数和生物 Lewis 数的影响。另外，微生物趋旋性特征越明显，生物对流系统就越不稳定，而适当增大非牛顿流体的幂律指数则有利于系统的稳定性。而温度场效应对系统的稳定性造成的影响更大，而椭圆形的细胞更容易造成系统的失稳。通过本项目的研究，揭示了生物对流现象的非线性动力学机制，从力学和数学的角度定性定量的描述不同实验条件下的对流斑图的形成，科学地解释不同外界条件和物理参数对生物对流演绎过程的影响，为相关的微生物实验现象提供科学的解释，也为控制和利用生物对流这一物理现象奠定理论基础。