摘要: 自然界中诸如精子、细菌等多种微小生物体通过其鞭毛摆动实现自推进运动，该过程不仅受到微小生物生理结构等内部机制影响，还与外部环境有着密切关系。其中，微小生物固有的小尺度、低速度等特点，使得自推进运动极易受到通道壁面的影响。研究微小游... 展开 自然界中诸如精子、细菌等多种微小生物体通过其鞭毛摆动实现自推进运动，该过程不仅受到微小生物生理结构等内部机制影响，还与外部环境有着密切关系。其中，微小生物固有的小尺度、低速度等特点，使得自推进运动极易受到通道壁面的影响。研究微小游动体自推进机理及其壁面效应，不仅有助于深入理解微小生物的一些有趣行为，也有助于寻找特定环境下对微小生物运动进行人为调控的手段，还对研制微纳尺度仿生机器人有着重要的指导意义。本文主要采用数值模拟方法，辅助渐近分析，对微小尺度的单鞭毛游动体自推进运动及其壁面效应进行了系列研究。 针对波动鞭毛自推进运动中的运动边界问题，本文首先建立了基于浸没边界法(Immersed Boundary Method，IBM)和格子玻尔兹曼方法(Lattice Blotzmann Method，LBM)的数值模拟体系。分别建立了二维和三维鞭毛行波摆动推进的游动体模型，编制了相应的数值计算程序。为了解决采用标准LBM计算液体流动所具有的模拟尺度极小的问题，本文引入缩放系数，构建相似流动并数值计算，最后变换得到原流动特征。测试表明，仅用不到1％的计算量，即可获得误差小于5％的计算结果，该方法有效的兼顾了计算效率与计算精度。 采用建立的数值方法模拟并分析了不同壁面条件下微小游动体自推进特性。结果表明，当壁面与游动体间距小于波动波长时，壁面的影响不可忽略:相同的鞭毛摆动参数下，间距越小，推进速度越大，相应的消耗功率越高;单一壁面作用于游动体时，平直壁面使得游动体趋向壁面运动，而圆柱壁面则趋向轴线运动;波状壁面的影响与平直壁面类似，并无额外的加减速作用;壁面波动时对游动体产生与鞭毛自推进相互独立的、沿着壁面波动方向的额外推进，推进速度与频率成线性关系、与振幅呈三次关系，而随壁面波长呈现出非单调变化特性。 为了深入理解波动壁面对微游动体自推进的影响，鉴于低Re数流动的线性特征，隔离鞭毛自推进的影响，单独分析了二维平直波动壁面和轴对称波动壁面诱导的低Re数流动。在壁面波动幅度远小于波长的条件下，获得了直至二阶的渐近解析解。结果表明，二维与轴对称情形下渐近解形式显著不同，但流动特征相似:零阶为静止流动，一阶为振荡流动，二阶则包含了与壁面波动方向相同的净流动。也正是因为净流动的存在，波动壁面才能对其附近的游动体产生与波动方向相同的推进速度。与数值结果相比，小振幅情形下渐近解与相应的二维或轴对称数值结果完全吻合，当振幅增大后则应考虑更高阶解，以修正低阶解对波动壁面效应的过高预测;轴对称渐近解还能较为准确地描述三维流场涡结构，可用于预测三维小幅波动壁面的推进能力，有助于分析真实条件下的微游动体迁移。 收起