Исследование способов передвижения рыб позволяет ученым проектировать транспортные средства и роботов, которые смогут плавать и ориентироваться в водной среде. Выполнение таких исследований требует анализа взаимодействия тела рыб с окружающей их жидкостью. С помощью среды COMSOL Multiphysics исследователям из Университета Рома Тре удалось смоделировать карангиформный тип локомоции — особого способа передвижения рыбы, и детально проанализировать его динамику.
Связь между способом передвижения рыб и улучшением водных конструкций
За миллионы лет эволюции рыбы приобрели способность быстро и легко передвигаться в водной среде, которая стала для них родной стихией. Передвижение в подобных средах, как мы уже отмечали ранее в блоге — сложная задача для созданных людьми транспортных средств и роботов, поскольку в мутной воде в условиях слабой освещенности очень сложно ориентироваться. Для решения этой задачи люди зачастую черпают новые идеи, наблюдая за рыбами.
Исследователи из Корнелла, к примеру, разрабатывают пластичного робота, который будет плавать как минога (смотри ниже). Рыбоподобный робот использует простую технику плавания миноги для самостоятельного передвижения и изучения пространства, в частности, в океанах спутника Юпитера, Европы.
Для создания таких роботов инженерам необходимо понимать, как рыбы передвигаются в водной среде. Помочь им в этом могут FSI-исследования (исследования взаимодействия жидкости и твердых тел), в рамках которых рассчитываются поле скорости и давления жидкости, а также напряжения и деформации в теле рыбы. Анализируя воздействие жидкой среды на передвижение рыбы, и наоборот, влияние движений тела рыбы на поток жидкости, исследователи могут получить точные и полезные результаты.
Сегодня мы рассмотрим, как группа ученых из Университета Рома Тре использовала FSI-моделирование в среде COMSOL Multiphysics для исследования способов передвижения рыб, основные результаты которого были опубликованы в статье "Виртуальный аквариум: моделирование техники плавания рыб". Они представили свое исследование на Конференции сообщества COMSOL-2015 в Гренобле, получив награды за лучшую статью и лучший стенд конференции.
Создание виртуального аквариума для изучения техники плавания рыб
Ученые использовали двумерный подход для анализа передвижения рыбы, свободно плавающей в жидкой среде. Они моделировали взаимодействие между телом рыбы (твердое тело) и окружающей соленой водой (жидкость). Также ученые моделировали сокращения мышц рыбы, используя понятие возмущений. Сегодня мы рассмотрим методику FSI-моделирования, которую они использовали в своих исследованиях.
Исследование было посвящено анализу карангиформного типа локомоции, — разновидности движения рыбы, при котором ее мышцы волнообразно сокращаются от головы до хвоста. На картинке ниже показано, что движения, совершаемые хвостом, превращают его в двигатель и создают локальную тягу и импульсную струю. В результате возникает движущая сила, которая и толкает рыбу вперед.
В своей работе группа исследователей проанализировала карангиформный тип локомоции в разные моменты времени. При перемещении рыбы внутри виртуального аквариума окружающая ее расчетная сетка деформируется, как показано на рисунках. В итоге при движении возникают настолько большие деформации, что для решения задачи требуется метод автоматического перестроения сетки. Исследователям удалось решить задачу с помощью интерфейса Fluid-Structure Interaction за счет использование подвижной сетки для коротких промежутков времени и автоматического перестроения сетки для более длительных интервалов.
Методы адаптации сетки, упомянутые выше, позволили ученым тщательно изучить воздействие движений тела рыбы на жидкую среду, в том числе эффекты в гидродинамическом следе. Когда твердое тело, например рыба, передвигается в жидкой среде, оно создает за собой гидродинамический след или, другими словами, зону возмущенного потока. Исследовательская группа использовала COMSOL Multiphysics для изучения структуры течения в следе и анализа вихрей, генерируемых при карангиформном плавании. Ученые обнаружили, что каждое движение рыбьего хвоста генерирует вихри, и что взаимное расстояние между центрами вихрей не изменяется.
Чтобы лучше понять, как окружающая соленая вода и тело рыбы взаимодействуют друг с другом, исследователи также рассчитали подъемную силу и силу лобового сопротивления. Результаты расчетов показали хорошее соответствие между компонентами скорости хвоста и подъемной и буксирующей силами.
Сравнение результатов моделирования с натурными измерениями показало удовлетворительное согласие. Исследователи надеются, что результаты их моделирования поспособствуют прогрессу в изучении способов передвижения рыб.
Решение задач FSI-моделирования в среде COMSOL Multiphysics
Моделирование плавания рыб является всего лишь одним из примеров сложных задач, которые можно решать с помощью инструментов FSI-моделирования среды COMSOL Multiphysics. Такие инструменты позволят вам моделировать множество различных устройств — от смесителей и проточных труб до колебательных структур в жидкостях и упруго-пористых средах.
Вы хотите узнать о других типах задач FSI-моделирования, которые можно решать в среде COMSOL Multiphysics? Тогда обязательно прочтите статью блога, в которой представлен полезный обзор таких задач. Мы также рекомендуем Вам посмотреть запись вебинара по FSI-моделированию или скачать одну из учебных моделей Галереи приложений, например вот эту.
Примечание редактора: Соответствующая модель и необходимые файлы были добавлены в Model Exchange 2/21/2017. Вы можете найти их здесь.
Дополнительные источники информации
- Ознакомьтесь с полным текстом статьи: "Виртуальный аквариум: моделирование техники плавания рыб"
- Посмотрите стендовый научный доклад
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol
