基于多元相场理论的细菌生物膜生长动力学建模及其数值模拟

doi:10.12066/j.issn.1007-2861.1690

上海大学学报(自然科学版) ›› 2017, Vol. 23 ›› Issue (4): 563-574.doi: 10.12066/j.issn.1007-2861.1690

基于多元相场理论的细菌生物膜生长动力学建模及其数值模拟

张曙梅¹, 徐向荣¹, 徐浩², 周涛¹, 李双¹, 李妍¹

1. 安徽工业大学机械工程学院, 安徽马鞍山 243032;
2. 安徽工业大学数理学院, 安徽马鞍山 243032

收稿日期:2015-06-29 出版日期:2017-08-30 发布日期:2017-08-30
通讯作者: 徐浩(1982—), 男, 讲师, 研究方向为生物膜、生物计算. E-mail: ahaxuo@ahut.edu.cn
作者简介:徐浩(1982—), 男, 讲师, 研究方向为生物膜、生物计算. E-mail: ahaxuo@ahut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(31300125)

Bacterial biofilm growth dynamical modeling and numerical simulation based on multiple-phase field theory

ZHANG Shumei¹, XU Xiangrong¹, XU Hao², ZHOU Tao¹, LI Shuang¹, LI Yan¹

1. School of Mechanical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243032, Anhui, China;
2. School of Mathematical Science and Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243032, Anhui, China

Received:2015-06-29 Online:2017-08-30 Published:2017-08-30

摘要/Abstract

摘要：

细菌生物膜普遍存在于自然界和工业环境中. 将细菌生物膜视为由多种组元组成的不可压缩的黏性流体, 结合多元相场理论、物质连续方程、动量守恒方程、溶质场控制方程和生物反应动力方程对细菌生物膜生长动力学进行建模. 通过对模型的数值模拟, 可以描述细菌和胞外聚合物在静态环境和动态环境中的生长状况以及营养物质的消耗规律.

关键词: 动力学模型, 数值模拟, 相场理论, 细菌生物膜

Abstract:

Bacteria biofilms are widespread in nature and industrial environments. A bacteria biofilm is regarded as an incompressible viscous fluid composed of multiplecomponents. The theory of multiple-phase field, material continuity equation, momentum conservation equation, field control equations and biological reaction dynamic equation are combined to model bacterial biofilm growth dynamics. A numerical solution of the multiplecomponent bacterial biofilm growth dynamical model is used to describe the growth of bacteria, the law of nutriment’s consumption, and extracellular polymers in static and dynamic environments.

Key words: dynamical model, numerical simulation, phase field theory, bacteria biofilm

张曙梅1, 徐向荣1, 徐浩2, 周涛1, 李双1, 李妍1. 基于多元相场理论的细菌生物膜生长动力学建模及其数值模拟[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2017, 23(4): 563-574.

ZHANG Shumei1, XU Xiangrong1, XU Hao2, ZHOU Tao1, LI Shuang1, LI Yan1. Bacterial biofilm growth dynamical modeling and numerical simulation based on multiple-phase field theory[J]. Journal of Shanghai University（Natural Science Edition）, 2017, 23(4): 563-574.

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基于多元相场理论的细菌生物膜生长动力学建模及其数值模拟

Bacterial biofilm growth dynamical modeling and numerical simulation based on multiple-phase field theory

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