通过模拟研究鱼的游泳模式

研究鱼类运动使研究人员能够设计能够熟练地在水生环境中的车辆和机器人。进行此类研究需要对鱼类及其环境进行流体结构相互作用（FSI）分析。使用comsol多物理学，来自罗马大学的研究人员能够模拟卡拉吉形游泳，这是一种鱼运动，并准确地评估了其动力学。

鱼运动与更好的水生设计之间的联系

在数百万年的时间里，Evolution使Fish能够快速轻松地穿越他们称之为家的水生环境。正如我们之前指出的那样的环境在博客上，由于浑浊的水和缺乏光线使它们难以导航，因此对人造的车辆和机器人构成挑战。为了解决这些问题，鱼通常被用作水生设计开发的灵感来源。

探索鱼类的游泳模式有助于优化水生技术的设计。Jim和Becca Wicks的图像 - 鲷鱼的快照！获得许可CC由2.0， 通过Wikimedia Commons。

例如，康奈尔大学的研究人员正在开发软机器人它的设计为像七lamp鱼一样游泳（如下所示）。以鱼类风格的机器人使用七lamp窃的简单结构，为自我维持的太空探索提供了潜力，尤其是在木星的月亮欧罗巴海洋中。

七lamp虫是一种类型的鱼，其行为激发了水生机器人的发展。图片hunt的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

为了构建这些机器人，研究人员需要学习鱼类如何在其水生环境中移动。他们可以通过FSI研究来做到这一点，以说明流体速度，压力以及鱼的应力和菌株。通过查看流体环境对鱼类运动的影响，反之亦然，研究人员可以获得准确而有用的结果。

今天，我们将探讨来自罗马大学的团队如何使用Comsol Multiphysics的FSI模拟功能来研究FISH运动，这在其论文中概述了“虚拟水族馆：鱼游泳的模拟“。他们在2015年Comsol Conference Grenoble上介绍乐动滚球app下载了他们的研究，获得了最佳纸张奖和活动中受欢迎的选择最佳海报奖。

创建一个虚拟水族馆来研究鱼的游泳模式

为了分析，研究人员使用了2D方法来评估鱼在流体域中自由游泳的运动。他们模拟了鱼体（固体）和周围盐水（流体）之间的相互作用。他们还使用扭曲概念模拟了鱼的肌肉收缩。在这里，我们将研究他们应用于研究的FSI技术。

模拟研究的重点是卡兰格形式游泳，一种鱼体运动，其中鱼的肌肉以波浪状的形式从头部到尾部收缩。如下面的动画所示，运动会导致尾巴充当螺旋桨，并产生局部推力唤醒和动量喷气机。这导致了推动鱼向前的力。

一条鱼的carangrifers游泳图案。

在他们的模拟研究中，研究小组试图在不同的时间内分析Carangiform游泳。但是，当鱼在虚拟水族馆内部移动时，它变形了周围的网眼，如下所示。该运动最终产生了如此巨大的变形，因此需要一种自动重组方法。与流体结构相互作用界面，研究人员能够通过在短时间内应用移动网格技术和更长的时间间隔来解决问题。

网格用于分析鱼的游泳图案。M. Curatolo和L. Teresi的图像，并从他们的Comsol Conference 2015 Gren乐动滚球app下载oble拍摄介绍。

上面提到的网格划分技术使团队能够准确研究鱼运动对流体环境（包括尾流创造）的影响。当诸如鱼类之类的固体在流体环境中移动时，它会在自身后面产生一个唤醒或流动的区域。在这种情况下，研究小组使用COMSOL多物理学来观察和分析Carangiform游泳产生的唤醒模式和涡流。他们发现，鱼尾巴的每一笔都会释放出涡旋，并且涡流之间的相互距离没有改变。

当鱼开始游泳时，涡流和唤醒出现。M. Curatolo和L. Teresi的图像，并从他们的Comsol Conference 2015 Gre乐动滚球app下载noble取自介绍。

涡流和唤醒的图案。

为了进一步了解周围的盐水和鱼体如何相互作用，研究人员还计算了举起并拖动。结果表明，尾部速度成分与升力和阻力力之间的相似性很强。

左：比较尾部速度力的图。右：比较升降机和阻力的情节。M. Curatolo和L. Teresi的图像，并从他们的Comsol Conference 2015 Gren乐动滚球app下载oble拍摄介绍。

在将模型结果与实际测量结果进行比较时，研究人员团队发现了两种情况之间令人满意的一致性。他们希望他们的模拟结果将激发鱼类运动研究的未来进步。

解决comsol多物理中的FSI问题

模拟游泳只是一个复杂问题的一个例子，可以通过Comsol多物理学的FSI功能来解决。这样的工具使您能够模拟各种元素，从混合器和管道流到流体和毛弹性介质中的振动结构。

有兴趣了解您可以在COMSOL多物理学中解决的其他类型的FSI问题吗？请务必检查一下博客文章，提供有用的概述。我们还鼓励您观看我们的存档网络研讨会在FSI模拟上，并下载流体结构相互作用教程模型，包括这个示例，来自应用程序库。

编者注：相应的鱼游泳模型文件和相关的模型文件已于2017年2月21日添加到型号交换中。你可以在这里找到它们。

进一步的资源

• 阅读完整的论文：“虚拟水族馆：鱼游泳的模拟“
• 看一下研究海报