趋地性生物对流的数值研究

摘要

微生物培养中，由于微生物的趋向性运动造成了流体的非稳定密度分布，由此引发的宏观对流称为生物对流。研究生物对流有助于了解其形成、发展、流型和流动特性，在微生物研究、环境治理、微重力条件对细胞影响等相关领域有广泛的应用潜力。 本文采用数值解析方法，分别对壁面无渗透，封闭腔体中充满牛顿流体并悬浮有一定浓度微生物的二维和三维容器内趋地性生物对流现象进行了研究，以控制容积法离散化方程，计算得到流场的模拟结果，并考察了细胞密度和运动能力对流动形态和细胞浓度分布的影响。 对二维长方体容器中趋地性生物对流的数值模拟结果表明：在计算开始后细胞迅速向溶液上方聚集，大约50秒左右即可形成初步的对流。随着对流的发展，小型的对流逐渐合并为位于容器中央的一个大型流股，其长度也越来越大，直至达到容器底部。在300秒时对流即达到稳定。对流稳定时容器内的微生物大部分均集中在流股区域内，容器顶部的细胞沿流股陷落，到达流股底端向四周散开，一方面随流动的流体，一方面靠自身的运动能力向上运动，重新返回上层。细胞密度p和细胞运动速度V<,c>均会对对流的形态产生影响。p的减小和V<,c>的增大均可以增强细胞运动能力，促进对流流动，减小流股长度，使细胞倾向于向流股顶端分布。两种情况的区别在于p对于流动稳定性的影响要大于V<,c>；V<,c>的增大会使细胞较早从流股脱离，加入向上的流动，明显增强流股两侧对流中心处的流动，而p对于对流中心处的影响很有限。 对三维圆柱体容器中趋地性生物对流的数值模拟结果表明：对流发展情况与二维模型时类似，上层浓度随时间持续增大，50秒后在流体表面开始形成初步对流并在计算开始后400s时达到稳定。与二维情形不同的是，除容器中心处的主流外，还存在有规律排列的、稳定的小规模对流。小规模对流分布在距离柱体中心0.002m处的圆周上，长度大致为容器深度的1/5～1/10。在大尺寸的空间中，这些小规模对流有可能发展成为邻近的完整流股。细胞密度p和运动速度V<,c>对流动的影响与二维情况下类似，都是通过改变细胞运动能力影响对流的形态。改变细胞密度可以明显影响对流的稳定性。较大的细胞密度会大大延长对流达到稳定所需的时间，增加小规模对流流股的长度，同时会促使邻近的对流合并成为较大的对流，增大相邻流股间的距离。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

1前言

1.1概论

1.2文献综述

1.2.1微生物的定义

1.2.2微生物的分类

1.2.3生物对流现象

1.3论文内容与结构

2控制方程

3数值计算方法

3.1离散化方法简介

3.2方程离散化

3.3网格划分及求解步骤

4趋地性生物对流的二维流场分析

4.1引言

4.2物理模型与坐标系

4.3边界条件

4.4初始条件及计算参数

4.5计算结果与讨论

4.5.1流线及细胞浓度分布随时间的变化

4.5.2细胞密度的影响

4.5.3细胞运动速度的影响

4.6本章小结

5趋地性生物对流的三维流场分析

5.1引言

5.2物理模型和坐标系

5.3控制方程

5.4边界和初始条件

5.5数值分析结果与讨论

5.5.1细胞浓度分布随时间的变化

5.5.2细胞密度变化对三维流动的影响

5.5.3细胞运动速度变化对三维流动的影响

5.6本章小结

6结论

参考文献

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致谢