In this paper, we consider a coupled chemotaxis-fluid system that models self-organized collective behavior of oxytactic bacteria in a sessile drop. This model describes the biological chemotaxis phenomenon in the fluid environment and couples a convective chemotaxis system for the oxygen-consuming and oxytactic bacteria with the incompressible Navier-Stokes equations subject to a gravitational force, which is proportional to the relative surplus of the cell density compared to the water density. We develop a new positivity preserving and high-resolution method for the studied chemotaxis-fluid system. Our method is based on the diffuse-domain approach, which we use to derive a new chemotaxis-fluid diffuse-domain (cf-DD) model for simulating bioconvection in complex geometries. The drop domain is imbedded into a larger rectangular domain, and the original boundary is replaced by a diffuse interface with finite thickness. The original chemotaxis-fluid system is reformulated on the larger domain with additional source terms that approximate the boundary conditions on the physical interface. We show that the cf-DD model converges to the chemotaxis-fluid model asymptotically as the width of the diffuse interface shrinks to zero. We numerically solve the resulting cf-DD system by a second-order hybrid finite-volume finite-difference method and demonstrate the performance of the proposed approach on a number of numerical experiments that showcase several interesting chemotactic phenomena in sessile drops of different shapes, where the bacterial patterns depend on the droplet geometries.


翻译:在本文中, 我们考虑一个结合的化工法- 浮质系统, 用来模拟一个自制的氧耗和氧基细菌的化工法系统, 以及一个受重力约束的不压缩纳维尔- 斯托克斯方程式。 与细胞密度相对与水密度相比的顺差成比例的引力。 我们为研究的化工法- 浮质系统开发了一种新的正态保存和高分辨率方法。 我们的方法基于流体环境中的生物化化工法现象, 夫妇用一种对氧耗和氧基细菌的共振化化化化学系统, 以及一种对氧耗氧和血球等方程式进行模拟的共振系统。 下降域被嵌入一个更大的矩形区域, 由一个含定厚度的弥散界面取代。 原始的化工价- 浮化系统在更大的域中重新配置, 以扩散法- 模式- 流体- 递减法- 以更多来源术语为基, 显示该模型- 的递增缩缩缩度的系统。

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