Jamming-flow transitions of confined self-propelled rods

Abstract

Denne oppgaven presenterer en numerisk undersøkelse av egenskapene til en hybridmodell av selvdrevne stav-aktige partikler i 2D som vekselvirker via apolar vinkeltilpasning og myk frastøtning. Såkalte aktive partikler representerer et kombinert fagfelt innen statistisk fysikk og biologi, og modellen er tiltenkt å kombinere aspekter fra flere tidligere studerte modeller.

Stavene som blir simulert er modellerte som rette og kontinuerlige linestykker omringet av et mykt frastøtende potensial, som frembringer overdampede vekselvirkninger gjennom kollisjoner, samt formasjon av tette klynger. Store ensembler av staver blir simulert over lange tidsintervaller og med forskjellige parameterverdier for å fastslå de tilhørende likevektstilstandene i periodiske grensebetingelser og i en glatt kanal.

Våre simuleringer viser en betydelig forskjell i kvalitativ oppførsel mellom systemer med ulik stav-anisotropi. Resultatene korrelerer godt med tidligere studier utført med periodiske grensebetingelser, men antyder forskjellige faseoppførsler ved innesperring i kanalen. Merkverdige observasjoner inkluderer formasjon av sterkt ordnede grenselag for korte staver, samt muligheten for formasjon av stabile separerte hastighetsfelt for lange staver ved subkritiske tettheter. Faseovergangens art kan bistå i vår forståelse av den selvdrevne transporten av mikroorganismer ved innesperring.

This thesis presents a computational investigation into the properties of a hybrid model of self-propelled rod-like particles in 2D interacting via apolar alignment and soft repulsion. So-called active particles represent a field of combined effort from statistical physics and biology, and the model intends to combine aspects of several previously studied models.

The simulated rods are modelled as straight continuous line segments surrounded by a soft repulsive potential, leading to overdamped collisions and allowing for dense clustering. Large ensembles of rods are simulated for long time intervals and various parameter values to determine their associated steady states with periodic boundary conditions and in a smooth channel.

Our simulations show a significant difference in qualitative behavior between systems with varying rod anisotropies. Our results correlate well with earlier studies conducted with periodic boundary conditions, but suggest different phase behavior when confined to the channel. Notable observations include the formation of a highly ordered boundary layer for short rods and the possibility of stable segregated lane formation at subcritical densities for long rods. The nature of the phase transition between these flow regimes may have applications in understanding the self-sustained transport of microbial suspensions in confinement.