Emergence of active turbulence in microswimmer suspensions due to active hydrodynamic stress and volume exclusion

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作者
Kai Qi,Elmar Westphal,Gerhard Gompper,Roland G. Winkler
出处
期刊:Communications physics [Nature Portfolio]
卷期号:5 (1) 被引量:53
标识
DOI:10.1038/s42005-022-00820-7
摘要

Abstract Microswimmers exhibit an intriguing, highly-dynamic collective motion with large-scale swirling and streaming patterns, denoted as active turbulence – reminiscent of classical high-Reynolds-number hydrodynamic turbulence. Various experimental, numerical, and theoretical approaches have been applied to elucidate similarities and differences of inertial hydrodynamic and active turbulence. We use squirmers embedded in a mesoscale fluid, modeled by the multiparticle collision dynamics (MPC) approach, to explore the collective behavior of bacteria-type microswimmers. Our model includes the active hydrodynamic stress generated by propulsion, and a rotlet dipole characteristic for flagellated bacteria. We find emergent clusters, activity-induced phase separation, and swarming behavior, depending on density, active stress, and the rotlet dipole strength. The analysis of the squirmer dynamics in the swarming phase yields Kolomogorov-Kraichnan-type hydrodynamic turbulence and energy spectra for sufficiently high concentrations and a strong rotlet dipole. This emphasizes the paramount importance of the hydrodynamic flow field for swarming motility and bacterial turbulence.

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