Cilia are hairy structures whose length is the order of millimeters and found in animals which utilize cilia for their essential lives. Although cilia are mostly found in the low-Reynolds-number regime, there exists in the high-Reynolds-number regime: comb-jelly. Considering the simple symmetric motion of a ciliary structure, the flow characteristics such as the fluid transport and mixing are numerically investigated using a two-dimensional plate model for a wide range of Reynolds numbers. The region of active transport is expanded farther from the ciliary structures with increasing the Reynolds number. Using a model where symmetric ciliary structures on each wall are in a confined channel, symmetry breaking is observed and the flow structure becomes chaotic. Symmetry breaking is classified into two regimes. Strong breaking is observed in relatively wide gap and weak breaking in narrower gap. For the mixing performance, symmetry breaking can enhance the mixing performance. However, the mixing performance cannot be improved without asymmetry of the flow structure. The breaking time of the vorticity field is also compared. As the Reynolds number increases, the breaking time becomes shorter due to an inertial effect and, as the gap width decrease, the breaking time becomes also shorter due to strong vortex-vortex interaction. When the number of ciliary structures increases, the flow field does not experience symmetry breaking even at high Reynolds number, which implies that the mixing performance cannot be improved with synchronization motion of ciliary structures.
섬모는 마이크로 단위 길이의 털 구조인데 섬모를 이용하여 자신에게 중요한 역할을 하는 동물들을 발견할 수 있다. 대부분의 섬모 연구는 낮은 레이놀즈수에서 이루어져 왔지만 높은 레이놀즈수에서 섬모를 사용하는 생물 또한 존재한다 (빗해파리). 이러한 관점에서 우리는 인하우스 코드를 이용하여 이차원 시뮬레이션을 진행했고 모델로서 단순하게 대칭하는 움직임을 이용했다. 레이놀즈수가 커질수록 유체 이동이 활발하게 일어나는 영역이 섬모 구조에서 먼 부분까지 확장되는 것을 확인했다. 단순한 대칭적인 섬모 구조를 이용하여 각 채널 벽에 섬모 구조가 있는 채널 모델을 이용했을 때, 채널 중심의 대칭축에 대해서 대칭이 깨지는 현상을 발견했고 대칭이 깨지는 이후 유동 구조가 매우 복잡해진다는 것 또한 확인했다. 또한, 이 대칭이 깨지는 현상은 크게 두 가지 형태 (강한 파단, 약한 파단)로 나타나는 것을 확인했다. 강한 파단은 주로 채널이 넓은 경우 나타났고 약한파단은 반대로 채널이 상대적으로 좁은 경우에 나타났다. 대칭 파단이 일어났을 때 혼합 성능이 좋아지는 것을 확인했지만, 대칭이 깨지지 않으면 그렇지 않았다. 더 나아가 우리는 대칭이 깨지는 시간을 비교했는데 레이놀즈수가 커질수록 관성 효과의 증가로 대칭이 깨지는 시간이 줄어드는 것을 확인했고 채널의 너비가 줄어들수록 와류의 상호작용이 강해져 대칭이 빨리 깨지는 것을 확인했다. 또한, 우리는 자연을 모방하여 섬모의 개수를 늘렸는데 오히려 레이놀즈수가 크더라도 대칭이 깨지지 않는 현상을 확인했다. 따라서 섬모 구조의 개수가 늘어나 혼합 성능을 좋아지지 않는다는 것을 확인했다.
