Distribution of gyrotactic micro-organisms in complex three-dimensional flows. Part 1. Horizontal shear flow past a vertical circular cylinder

　　为理解浅水植被水流中游动型微生物的分布，构建了描述水平剪切流条件下最大雷诺数为100的单一刚性垂直圆柱绕流中低浓度悬浮液的连续介质模型。研发了求解该问题的数值计算平台，包括流场计算方案，重力、环境涡量以及旋转扩散共同作用下致旋型微生物游动方向概率密度分布的Fokker-Planck方程的求解器，极地血衣藻平均游动速度和平移扩散张量与涡量关系的数据库以及致旋型微生物三维浓度分布求解器。为了便于识别尾涡区的混合，藻细胞初始释放于宽度等于圆柱直径的垂直窄带内。结果表明圆柱下游流动包含三种流动模式：顶部自由面附近的平行涡脱落，中部斜涡脱落以及底部准恒定流。圆柱迎流与背流面存在垂向二次流。圆柱尾涡区速度谱表明在平行与斜涡脱落区存在两个高主导频率以及大小等于两高频之差低主导频率。比较分析了活性粒子与被动粒子分布的差异。结果表明：大部分区域活性粒子和被动粒子分布相似，但活性粒子垂向游动会使自由面处浓度高于上游来流浓度，活性颗粒子径向游动会导致圆柱下游边界层浓度增加。