Microswimmers are encountered in a wide variety of biophysical settings. When interacting with flow fields, they show interesting dynamical features such as trapping, clustering, and preferential orientation. One important step towards the understanding of such features is to clarify the interplay of hydrodynamic flows with microswimmer motility and shape. Here, we study the dynamics of ellipsoidal microswimmers in a two-dimensional axisymmetric vortex flow. Despite this simple setting, we find surprisingly rich dynamics, which can be comprehensively characterized in the framework of dynamical systems theory. By classifying the fixed-point structure of the underlying phase space as a function of motility and microswimmer shape, we uncover the topology of the phase space and determine the conditions under which microswimmers are trapped in the vortex. For spherical microswimmers, we identify Hamiltonian dynamics, which are broken for microswimmers of a different shape. We find that prolate ellipsoidal microswimmers tend to align parallel to the velocity field, while oblate microswimmers tend to remain perpendicular to it. Additionally, we find that rotational noise allows microswimmers to escape the vortex with an enhanced escape rate close to the system's saddle point. Our results clarify the role of shape and motility on the occurrence of preferential concentration and clustering and provide a starting point to understand the dynamics in more complex flows.

中文翻译：

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轴对称涡流中的微型游泳者

在各种各样的生物物理环境中都会遇到微型游泳者。当与流场相互作用时，它们显示出有趣的动态特征，例如捕获、聚类和优先取向。理解这些特征的一个重要步骤是阐明流体动力学流动与微型游泳者运动性和形状的相互作用。在这里，我们研究了二维轴对称涡流中椭圆体微型游泳者的动力学。尽管设置简单，但我们发现了惊人丰富的动力学，可以在动力学系统理论的框架中对其进行全面表征。通过将底层相空间的不动点结构分类为运动性和微型游泳者形状的函数，我们揭示了相空间的拓扑结构，并确定了微型游泳者被困在漩涡中的条件。对于球形微型游泳者，我们确定了哈密顿动力学，对于不同形状的微型游泳者，该动力学被打破。我们发现长椭圆形微型游泳者倾向于平行于速度场对齐，而扁圆形微型游泳者倾向于保持垂直于速度场。此外，我们发现旋转噪声允许微型游泳者在靠近系统鞍点的地方以更高的逃逸率逃离漩涡。我们的结果阐明了形状和运动性对优先集中和聚类发生的作用，并为理解更复杂流动中的动力学提供了一个起点。对于不同形状的微型游泳者，它们被破坏了。我们发现长椭圆形微型游泳者倾向于平行于速度场对齐，而扁圆形微型游泳者倾向于保持垂直于速度场。此外，我们发现旋转噪声允许微型游泳者在靠近系统鞍点的地方以更高的逃逸率逃离漩涡。我们的结果阐明了形状和运动性对优先集中和聚类发生的作用，并为理解更复杂流动中的动力学提供了一个起点。对于不同形状的微型游泳者，它们被破坏了。我们发现长椭圆形微型游泳者倾向于平行于速度场对齐，而扁圆形微型游泳者倾向于保持垂直于速度场。此外，我们发现旋转噪声允许微型游泳者在靠近系统鞍点的地方以更高的逃逸率逃离漩涡。我们的结果阐明了形状和运动性对优先集中和聚类发生的作用，并为理解更复杂流动中的动力学提供了一个起点。我们发现旋转噪声允许微型游泳者在靠近系统鞍点的地方以更高的逃逸率逃离漩涡。我们的结果阐明了形状和运动性对优先集中和聚类发生的作用，并为理解更复杂流动中的动力学提供了一个起点。我们发现旋转噪声允许微型游泳者在靠近系统鞍点的地方以更高的逃逸率逃离漩涡。我们的结果阐明了形状和运动性对优先集中和聚类发生的作用，并为理解更复杂流动中的动力学提供了一个起点。