Self-Propulsion, Turbulence, and Topological Defects in Active Fluids
Aktif Sıvılarda Kendinden Tahrik, Türbülans ve Topolojik Kusurlar
- Tez No: 910973
- Danışmanlar: PROF. DR. GİUSEPPE GONNELLA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Unıversıta' Deglı Studı Dı Barı
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, sınırlı kompleks sıvıların ve özellikle aktif akışkanların süreklilik düzeyinde akış davranışlarına odaklanmaktadır. Bunlar, içselin kinetik enerjiye özerk dönüşümü nedeniyle doğal olarak denge dışında gelişir. Örnekler, motor proteinlerle aktive edilen akto-miyozin ve mikrotübül demetleri gibi bakteri süspansiyonları veya biyolojik filamentlerdir. Aktif sıvılardaki bireysel bileşenler kendiliğinden birleşir ve hizalanır ve iç simetrilerine ve kinetik durumlarına göre polar veya nematik düzen sergileyebilecek sıvı kristalin benzeri yapılar geliştirir. Dahası, hizalama özelliklerinin ve içsel hareketliliklerinin birleşimi, kendiliğinden akış ve garip reolojik durumlardan (pasif sıvılarda gözlemlenmeyen) düşük Reynolds sayısında türbülanslı benzer rejimlere kadar çok sayıda büyüleyici davranışa yol açar. Bölüm 1'de, aktif sıvılar ve bunların teorik araştırmalarını amaçlayan ilgili modeller hakkında bazı deneysel sonuçlar sunulacaktır. Bu tezde benimsenen teorik yaklaşım, sistemin oryantasyonel ve kinetik durumunu kodlayan birkaç sürekli alanda ilgili fiziksel değişkenlerin yakalanmasına izin veren kaba taneli bir prosedürden oluşan ünlü aktif jel modeline dayanmaktadır. Sıra parametrelerinin ve evrim denklemlerinin resmi bir tanımının yanı sıra dinamikleri entegre etmek için kullanılan sayısal yaklaşım Bölüm 2'de verilmiştir. Yoğun aktif süspansiyonlar bağlamında sıvı kristalin (LC) pasif özelliklerinin oynadığı ilgili rol nedeniyle, Bölüm 3 ve 4 sırasıyla LC'nin denge topolojik özelliklerine ve kiral bileşiklerde ayna simetrisi kırılmasının etkisine ayrılmıştır. Özellikle, topolojik kusurlarla ilgili önemli kavram Bölüm 3'te dikkate alınırken, bir sonraki Bölümde, sarmal-izotropik geçişte dar bir sıcaklık aralığında bulunan bir mezofaz olan mavi fazlar gibi garip topolojik yapıları stabilize etmede hapsedilmenin nasıl çok önemli bir rol oynayabileceği gösterilecektir. Bölüm 5-8'de aktif sistemlerle ilgili sayısal sonuçlar sunulacaktır. Özellikle, Bölüm 5'te, aktivite ve kiralitenin karşılıklı etkisinin, iç LC modelinin simetri kırılması nedeniyle hareketli durumlara yol açtığı tam 3d aktif damlacıklar durumunu ele alacağım. Birden fazla damlacıklı sistem durumunu ele almak için, Bölüm 6'da mikrofaz ayırma için Landau-Brazovskii teorisine dayanan aktif emülsiyonlar için yeni bir model tanıtacağım ve bu model kapsamında bulunan geniş morfolojik fenomenoloji ile ilgili sonuçları sunacağım, reolojik özellikleri ise aşağıdaki Bölümde ele alınacaktır. Son olarak, akış yapısı basit Newton sıvılarında meydana gelen hidrodinamik türbülansta gözlemlenene çok benzeyen aktif jellerde ortaya çıkan kaotik bir durum olan aktif türbülans durumunu ele alacağım. Aktif sıvıların çeşitli modellerinde enerji transferinin analizi Bölüm 8'de sunulacaktır.
Özet (Çeviri)
This thesis focuses on the flow behaviors, at a continuum level, of complex fluids under confinement and especially active fluids. These evolve inherently out of equilibrium due the autonomous conversion of internal into kinetic energy. Examples are suspensions of bacteria or biological filaments, such as acto-myosin and microtubule bundles, activated with motor proteins. Individual constituents in active fluids spontaneously assemble and align, and develop liquid-crystalline-like structures which may either exhibit polar or nematic order, in accordance to their internal symmetry and kinetic state. Moreover, the combination of aligning properties and their intrinsic motility gives rise to a plethora of mesmerizing behaviors, ranging from spontaneous flow and odd rheological states (unobserved in passive fluids) to turbulent-like regimes at low Reynolds number. In Chapter 1, some experimental results on active fluids and relevant models aimed at their theoretical investigation will be presented. The theoretical approach taken in this dissertation is based on the celebrated active gel model which consists on a coarse-grained procedure that allows to capture the relevant physical variables in few continuous fields encoding the orientational and the kinetic state of the system. A formal definition of the order parameters and their evolution equations, as well as the numerical approach used to integrate the dynamics is furnished in Chapter 2. Because of the relevant role played by the passive properties of liquid-crystal (LC) in the context of dense active suspensions, Chapter 3 and 4 are respectively devoted to the equilibrium topological properties of LC and the effect of mirror symmetry breaking in chiral compounds. In particular, important concept concerning topological defects will be taken into account in Chapter 3, while in the following Chapter it will be shown how confinement may play a very important role in stabilizing odd topological structures, such as blue phases –a mesophase found in a narrow range of temperatures at the helical-isotropic transition. In Chapters 5-8 the numerical results concerning active systems will be presented. In particular, in Chapter 5, I will consider the case of full 3d active droplets where the mutual effect of activity and chirality gives rise to motile states due to the symmetry breaking of the inner LC pattern. To address the case of systems with multiple droplets, in Chapter 6 I will introduce a novel model for active emulsions based on the Landau-Brazovskii theory for microphase sepa- ration and I will present the results concerning the wide morphological phenomenology found in the scope of this model, while its rheological properties will be addressed in the following Chapter. Finally, I will consider the case of active turbulence –a chaotic state arising in active gels whose flow structure closely resembles the one observed in hydrodynamic turbulence occurring in simple Newtonian fluids. The analysis of energy transfer in several models of active fluids will be presented in Chapter 8.
Benzer Tezler
- Computational investigation of the effects of the propeller diameter on the self-propulsion performance of a submarine at different forward speeds
Pervane çapının bir denizaltının farklı ileri hızlardaki sevk performansına etkilerinin hesaplamalı olarak incelenmesi
GÖKAY SEVGİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN KORKUT
- Dolgun geometrili bir gemide kıç formu ve pervane konumunun sevk verimine olan etkisinin incelenmesi
An investigation into the effect of the aft form and propeller location on the propulsive efficiency of a blunt ship
GÜRBÜZ BİLİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. UĞUR ORAL ÜNAL
DOÇ. DR. EBRU SARIÖZ
- Exploring the propulsion performance of a gate rudder system as a novel energy saving device
Yenilikçi bir eenerji tasarruf cihazı olarak geçit dümen sisteminin sevk performansının incelenmesi
AHMET YUSUF GÜRKAN
Doktora
İngilizce
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. UĞUR ORAL ÜNAL
- Cfd-based pı/pıd controller for velocıty and headıngcontrol of the darpa suboff
Had tabanlı PI/PID kontrol yaklaşımı ile darpa suboffdenizaltısının hız ve rota kontrolü
DUYGU ÜNLÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CİHAD DELEN
- Denizaltı kıç formunun sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental investigation of submarine tail form
YASEMİN ARIKAN ÖZDEN
Doktora
Türkçe
2017
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FAHRİ ÇELİK