Universal Scaling Laws for a Generic Swimmer Model

标度律 缩放比例 物理 计算机科学 统计物理学 经典力学 理论物理学 法学 数学 几何学 政治学
作者
Bruno Ventéjou,Thibaut Métivet,Aurélie Dupont,Philippe Peyla
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:134 (13)
标识
DOI:10.1103/physrevlett.134.134002
摘要

We introduce a minimal model of a swimmer without body deformation based on force and torque dipoles which allows accurate and efficient 3D Navier-Stokes calculations. Our model can reproduce swimmer propulsion for a large range of Reynolds numbers and generate wake vortices in the inertial regime, reminiscent of the flow generated by the flapping tail of real fish. We perform a numerical exploration of the model from low to high Reynolds numbers and obtain universal laws using scaling arguments. Collecting data from a wide variety of microswimmers, we show that our theoretical scaling laws compare very well with experimental swimming performances across the different hydrodynamic regimes, from Stokes to turbulent flows. The simple design of our generic swimmer model paves the way for efficient large-scale simulations of hundreds of individuals, crucial for understanding collective effects within assemblies of aquatic animals.
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