借助仿真研究鱼类的游动形态

青草

通过研究鱼类的运动，研究人员设计出了各种能在水下环境灵活操控的器械和机器人。开展这类研究时，往往需要对鱼和周围环境进行一个流固耦合（FSI）分析。罗马第三大学的研究人员使用 COMSOL Multiphysics 模拟了鱼类的摆尾式游动法，精确计算了其中的动力学。
鱼类运动与更好的水下设计之间的关联

经过数百万年的进化，现在鱼类能够轻松快速地在水下环境中移动，水就是它们的家。正如之前“洞穴鱼启发了对 MEMS 压力感应器的模拟”博客中所讨论的，这类环境却给人造汽车和机器人带来了挑战，阴暗的水域和缺少照明使它们难以操控。为解决这些问题，人们在开发各类水下设计时常常会从鱼类身上寻找灵感。


对鱼类游动方式的探索帮助我们优化了水下技术的设计。图片由 Jim 及 Becca Wicks 提供 — 啮鱼快照!已获 CC BY 2.0 授权，并通过 Wikimedia Commons 分享。
例如，康奈尔大学的研究人员正在开发一款柔体机器人，希望它能像七鳃鳗一样游动（如下图所示）。这款以鱼为灵感的机器人采用了类似于七鳃鳗的简单结构，借以探索它在太空中进行自我维持的可能性，特别是在木卫二的海洋中。


七鳃鳗启发了水下机器人的开发。图片为 Tiit Hunt 自行制作。已获 CC BY-SA 3.0 授权，并通过 Wikimedia Commons 分享。
如要开发这类机器人，研究人员需要了解鱼类如何在水下环境中移动。他们可以借助 FSI 研究来分析流体速度、压力及鱼承受的应力及应变。通过分析流体环境对鱼类移动的影响及进行反向分析，研究人员将能获得非常有价值的精确结果。
今天，我们将探讨罗马第三大学的一组研究人员如何使用 COMSOL Multiphysics 的 FSI 仿真功能来分析鱼类的移动，他们在论文”虚拟水族馆：鱼类游动的仿真” 中对此进行了讨论。他们向 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站提交了研究成果，并凭借这一研究获得了“最佳论文”以及由参会者投票评选出的“最佳海报”奖。
创建虚拟水族箱来研究鱼类的游动形态

在分析中，研究人员采用二维方法来计算鱼类在流体域自由游动时的运动状态。他们模拟了鱼体（固相）及周围咸水（液相）之间的相互作用。他们还使用变形的概念模拟了鱼类肌肉的收缩。这里，我们将分析他们研究中所用的 FSI 技巧。
仿真重点研究了鱼类的一种移动方式，摆尾式游动，这时鱼身上的肌肉按从头到尾的顺序呈波浪状收缩。如下方动画所示，这一移动使鱼尾像推进器一样工作，并产生了一个局部的斜伴流及动量射流；从中产生的力将推动鱼向前运动。
点击链接观看视频： 鱼类的摆尾式游动形态

在他们的仿真研究中，研究团队尝试分析不同时间段内的摆尾式游动。不过，当鱼在虚拟水族箱内移动时，会造成周围网格的变形，如下图所示。运动最终将造成一个非常大的变形，因此使用需要自动重新剖分网格。借助流固耦合接口，研究人员通过在较短时间段内应用移动网格技巧及在更长的时间段内应用重新剖分网格解决了该问题。


用于分析鱼类游动形态的网格。图片由 M. Curatolo 及 L. Teresi 提供，取自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站提交的用户演示。
上面提到的仿真技巧帮助团队精确研究了鱼类的运动对流体环境的影响，包括尾波的产生。当一个类似鱼的固体在流体环境中移动时，会在它的背后产生尾波，或称扰流区域。针对这种情况，研究团队使用 COMSOL Multiphysics 来观察和分析波的样式及由摆尾式游动产生的漩涡。他们发现鱼尾的每次划动都会产生一些漩涡，漩涡内核间的相互距离保持不变。


鱼开始游动后产生的漩涡和尾波。图片由 M. Curatolo 及 L. Teresi 提供，取自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站提交的用户演示。
点击链接观看视频：漩涡和尾波的样式

为了进一步理解周围盐水和鱼体之间的相互作用，研究人员还计算了升力和曳力。结果显示鱼尾的速度分量与升力和曳力之间有极强的相似性。


鱼尾速度的对比图。


升力和曳力对比图。图片由 M. Curatolo 及 L. Teresi 提供，取自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站提交的用户演示。
研究团队对比了模型结果与实际测量的结果，发现二者非常契合。他们希望这一仿真结果能够激发出更多有关鱼类运动的研究进展。
在 COMSOL Multiphysics 中求解 FSI 问题

我们可以借助 COMSOL Multiphysics 的 FSI 功能解决许多复杂问题，对游鱼的模拟仅是其中的简单一例。您可以借助这些工具来模拟各种单元，从混合器和管道流，到流体和多孔弹性介质中的振动结构等。
想了解还可以用 COMSOL Multiphysics 来求解哪些 FSI 问题？请阅读“COMSOL 支持求解的 FSI 问题类型”博客，您将能从中找到很有帮助的概念。我们还建议您观看“使用 COMSOL Multiphysics 模拟流固耦合”存档网络研讨会，并在案例下载页面下载流固耦合教程模型，例如流固耦合模型。
延伸阅读

• 阅读完整论文：”虚拟水族馆：模拟鱼类的游动“
  
• 浏览研究海报
  

经授权转载自
COMSOL 博客，科学与工程博客 ，原作者 Caty Fairclough。

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/21363853