Controlling Mesoscale Turbulence (eBook)

The Impact of Translational and Rotational Constraints on Pattern Formation in Microswimmer Suspensions
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2024 | 1. Auflage
XX, 221 Seiten
Springer-Verlag
978-3-031-67636-9 (ISBN)

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Controlling Mesoscale Turbulence -  Henning Reinken
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This thesis combines methods from statistical physics and nonlinear dynamics to advance research on the pattern formation in active fluids in several directions. In particular, it focuses on mesoscale turbulence, a state observed in microswimmer suspensions, which is characterized by the emergence of dynamic vortex patterns. The first major contribution concerns the bottom-up derivation of a frequently used continuum model of mesoscale turbulence from a set of particle-resolved stochastic equations. Utilizing the model, mesoscale turbulence is shown to induce nontrivial transport properties including a regime of optimal diffusion. The thesis then explores possible strategies of control. One of these relies on an external field that leads to stripe-like structures and can even suppress patterns entirely. The other involves geometric confinement realized by strategically placed obstacles that can reorganize the flow into a variety of ordered vortex structures. The turbulence transition inside an obstacle lattice is shown to have an intriguing analogy to an equilibrium transition in the Ising universality class. As a whole, this thesis provides important contributions to the understanding and control of turbulence in active fluids, as well as outlining exciting future directions, including applications. It includes a substantial introduction to the topic, which is suitable for newcomers to the field.

Erscheint lt. Verlag 27.9.2024
Reihe/Serie Springer Theses
Zusatzinfo XX, 221 p. 68 illus., 49 illus. in color.
Sprache englisch
Themenwelt Naturwissenschaften Physik / Astronomie
Technik Maschinenbau
Schlagworte Active Fluids • Active Matter • external fields • Fokker-Planck Equation • geometrical constraints • Ising universality class • mesoscale turbulence • microswimmers • Nonlinear Dynamics • pattern formation • Statistical Physics • turbulence transition • Turbulent Transport
ISBN-10 3-031-67636-X / 303167636X
ISBN-13 978-3-031-67636-9 / 9783031676369
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