研究鱼类运动如何启发水下机器人设计：流固耦合分析与COMSOL Multiphysics模拟_W66利来国际

鱼类运动与更好的水下设计之间的联系

经过数百万年的进化，鱼类现在能够在以水为家的水下环境中轻松快速地移动。正如之前的博客“Cavefish 激发了 MEMS 压力传感器的模拟”中所讨论的那样，这种环境给人造汽车和机器人带来了挑战，浑浊的水域和缺乏照明使它们难以操纵。为了解决这些问题，人们在开发各种水下设计时经常寻找灵感。

探索鱼类如何游泳有助于我们优化水下技术的设计。图片由 Jim 和 Becca Wicks 拍摄 — Fish Snap！根据 CC BY 2.0 许可并通过 Wikimedia Commons 共享。

例如，康奈尔大学的研究人员正在开发一种软体机器人，他们希望它能像七鳃鳗一样游泳（如下图）。这款受鱼启发的机器人使用类似于七鳃鳗的简单结构来探索在太空中，特别是在欧罗巴海洋中自我维持的可能性。

七鳃鳗启发了水下机器人的发展。图片由 Tiit Hunt 自己制作。根据 CC BY-SA 3.0 许可并通过 Wikimedia Commons 共享。

为了开发这样的机器人，研究人员需要了解鱼类在水下环境中如何移动。他们可以使用 FSI 研究来分析流体速度、压力以及鱼类所经历的压力和应变。通过分析流体环境对鱼类运动的影响并进行逆向分析，研究人员将能够获得有价值且精确的结果。

今天，我们将了解罗马第一大学的研究团队如何使用 COMSOL Multiphysics 的 FSI 仿真功能来分析鱼类的运动，他们在论文“虚拟水族馆：鱼类游泳的模拟”中对此进行了讨论。他们向格勒诺布尔举行的 COMSOL 2015 年度用户大会提交了研究成果，并获得了与会者投票选出的“最佳论文”和“最佳海报”奖。

创建虚拟水族馆来研究鱼类游泳模式

在分析中，研究人员使用二维方法计算了鱼类在流体域中自由游动时的运动状态。他们模拟了鱼体（固相）与周围盐水（液相）之间的相互作用。他们还利用变形的概念来模拟鱼肌肉的收缩。在这里，我们分析了他们研究中使用的 FSI 技术。

模拟重点研究了鱼类的运动方式之一——摆尾游动。这时，鱼身上的肌肉从头到尾呈波浪状依次收缩。如下图动画所示，这种运动使鱼尾像螺旋桨一样运动，并产生局部倾斜尾流和动量射流；由此产生的力推动鱼前进。

鱼儿摇尾游动的样子。

在他们的模拟研究中，研究小组试图分析不同时间段的摇尾游泳。然而，当鱼在虚拟水族箱内移动时，会导致周围的网格发生变形，如下图所示。运动最终会引起非常大的变形，因此需要自动重新划分网格。使用流固耦合接口，研究人员通过在较短的时间段内应用移动网格技巧并在较长的时间段内重新划分网格来解决这个问题。

用于分析鱼类游泳模式的网格。图片由 M. Curatolo 和 L. Teresi 提供，取自他们在格勒诺布尔举行的 COMSOL 年会上提交的用户演示。

上述模拟技术帮助团队准确地研究了鱼类运动对流体环境的影响，包括尾流的产生。当固体鱼状物体在流体环境中移动时，它会在其后面产生尾流或湍流区域。针对这种情况，研究团队使用 COMSOL Multiphysics 来观察和分析摇尾游动产生的波浪模式和涡流。他们发现，鱼尾的每次划动都会产生一些漩涡，并且漩涡核心之间的距离保持恒定。

鱼开始游动后产生的漩涡和尾流。图片由 M. Curatolo 和 L. Teresi 提供，摘自他们在格勒诺布尔举行的 COMSOL 年会上提交的用户演示。

漩涡和尾流模式。

为了进一步了解周围盐水与鱼身体之间的相互作用，研究人员还计算了升力和阻力。结果表明，鱼尾的速度分量与升力和阻力之间有很强的相似性。

左：鱼尾速度比较。右：提升和拖动对比图。图片由 M. Curatolo 和 L. Teresi 提供，取自他们在格勒诺布尔举行的 COMSOL 年会上提交的用户演示。

研究团队将模型结果与实际测量结果进行了比较，发现两者吻合得很好。他们希望模拟结果能够激发更多关于鱼类运动的研究。

解决 COMSOL Multiphysics 中的 FSI 问题

我们可以借助 COMSOL Multiphysics 的 FSI 功能来解决许多复杂的问题，游泳鱼的模拟只是一个简单的例子。您可以使用这些工具来模拟各种元素，从混合器和管道流到流体和多孔弹性介质中的振动结构。

想知道使用 COMSOL Multiphysics 还可以解决哪些其他 FSI 问题？请阅读“COMSOL 支持解决的 FSI 问题类型”博客，您将在其中找到有用的概念。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。

编者注：本文中的鱼游动模型文件及相关模型文件已于2017年2月21日添加到“模型交流区”，您可以点击链接下载模型。