由于摆动波活动而在具有绒毛结构的通道中产生的流体动力学现象

《Journal of Fluid Mechanics》：Hydrodynamics in a villi-patterned channel due to pendular-wave activity

受小肠蠕动启发的流动研究，揭示微结构振动诱导混合边界层（MBL）及轴向稳态反向流，发现惯性效应导致MBL动态受限和非单调轴向通量，开发有效边界条件实现粗粒度模拟，对生物流与微流控系统设计有指导意义。

　　

摘要

受小肠运动的启发，我们研究了沿通道壁传播的摆波所引发的流动现象。该通道内壁覆盖着类似绒毛的刚性微结构。这些绒毛会进行谐波轴向振荡，并与其相邻绒毛存在相位滞后，从而形成绒毛间的收缩波形。通过二维格子玻尔兹曼模拟，我们分析了绒毛区域和管腔内的流动情况，研究了从小到中等范围的Womersley数。我们发现，在绒毛上方存在一个混合边界层（MBL），该层由随波运动的半涡旋结构组成。在管腔内，则形成了一个轴向稳态流动，其方向与波的传播方向相反，这与典型的蠕动流动现象不同。我们将这种流动方向的逆转归因于被相邻绒毛夹住的流体的非对称运动轨迹，并推导出一个几何缩放律，用于描述斯托克斯流体区域内的流动强度。研究发现，在低惯性极限下，MBL的厚度仅取决于绒毛间的相位滞后。当超过某个临界阈值时，振荡惯性会导致流动受到动态限制，从而限制MBL的径向范围，并使轴向稳态通量表现出非单调行为。我们还提出了一个适用于绒毛尖端的有效边界条件，该条件综合考虑了相关空间尺度上的稳态和振荡成分。这一框架使得无需详细解析每个绒毛即可进行肠道流动的粗粒度模拟。我们的研究结果揭示了活性微结构、摆波以及有限惯性在生物流动中的相互作用，并为仿生和微流控系统的流动控制提供了新的思路。

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