Дослідження техніки плавання риб за допомогою моделювання, Блог COMSOL
Дослідження техніки плавання риб за допомогою моделювання
Caty Fairclough 04/01/2016
Дослідження способів пересування риб дозволяє вченим проектувати транспортні засоби та роботів, які зможуть плавати та орієнтуватися у водному середовищі. Виконання таких досліджень вимагає аналізу взаємодії тіла риб з навколишньою рідиною. За допомогою середовища COMSOL Multiphysics дослідникам з Університету Рома Тре вдалося змоделювати карангіформний тип локомоції – особливого способу пересування риби та детально проаналізувати його динаміку.
Зв'язок між способом пересування риб та покращенням водних конструкцій
За мільйони років еволюції риби набули здатності швидко і легко пересуватися у водному середовищі, яке стало для них рідною стихією. Пересування в подібних середовищах, як ми вже зазначали раніше в блозі, — складне завдання для створених людьми транспортних засобів та роботів, оскільки в каламутній воді в умовах слабкого освітлення дуже складно орієнтуватися. Для вирішення цього завдання люди часто черпають нові ідеї, спостерігаючи за рибами.
Дослідники з Корнелла, наприклад, розробляють пластичного робота, який плаватиме як мінога (дивись нижче). Рибоподібний робот використовує просту техніку плавання міноги для самостійного пересування та вивчення простору, зокрема, в океанах супутника Юпітера, Європи.
Для створення таких роботів інженерам необхідно розуміти, як риби пересуваються у водному середовищі. Допомогти їм у цьому можуть FSI-дослідження (дослідження взаємодії рідини та твердих тіл), в рамках яких розраховуються поле швидкості та тиску рідини, а також напруги та деформації в тілі риби. Аналізуючи вплив рідкого середовища на пересування риби, і навпаки, вплив рухів тіла риби на потік рідини, дослідники можуть отримати точні та корисні результати.
Створення віртуального акваріума для вивчення техніки плавання риб
Вчені використовували двовимірний підхід для аналізу пересування риби, що вільно плаває в рідкому середовищі. Вони моделювали взаємодію між тілом риби (тверде тіло) та навколишньою солоною водою (рідина). Також вчені моделювали скорочення м'язів риби, використовуючи поняття збурень. Сьогодні ми розглянемо методику FSI-моделювання, яку вони використали у своїх дослідженнях.
Дослідження було присвячене аналізу карангіформного типу локомоції, - різновиду руху риби, при якому її м'язи хвилеподібно скорочуються від голови до хвоста. В анімаційному ролику показано, що рухи, що здійснюються хвостом, перетворюють його на двигун і створюють локальну тягу та імпульсний струмінь. В результаті виникає рушійна сила, яка штовхає рибу вперед.
Карангіформний тип локомоції плавання риби.
У своїй роботі група дослідників проаналізувала карангіформний тип локомоції у різні моменти часу. При переміщенні риби всередині віртуального акваріума розрахункова сітка, що її оточує, деформується, як показано на малюнках. У результаті під час руху виникають настільки великі деформації, що для вирішення завдання потрібен метод автоматичногоперебудова сітки. Дослідникам вдалося вирішити задачу за допомогою інтерфейсу Fluid-Structure Interaction за рахунок використання рухомої сітки для коротких проміжків часу та автоматичного перебудови сітки для більш тривалих інтервалів.
Методи адаптації сітки, згадані вище, дозволили вченим ретельно вивчити вплив рухів тіла риби на рідке середовище, у тому числі ефекти гідродинамічного сліду. Коли тверде тіло, наприклад риба, пересувається в рідкому середовищі, воно створює гідродинамічний слід або, іншими словами, зону обуреного потоку. Дослідницька група використовувала COMSOL Multiphysics для вивчення структури течії в сліді та аналізу вихорів, що генеруються при карангіформному плаванні. Вчені виявили, що кожен рух риб'ячого хвоста генерує вихори, і що взаємна відстань між центрами вихорів не змінюється.
Приклад вихорів та гідродинамічного сліду.
Щоб краще зрозуміти, як навколишня солона вода та тіло риби взаємодіють один з одним, дослідники також розрахували підйомну силу та силу лобового опору. Результати розрахунків показали хорошу відповідність між компонентами швидкості хвоста і підйомною та буксируючою силами.
Зліва: Графік порівняння компонент швидкості хвоста. Праворуч: Графік порівняння підйомної сили та сили лобовогоопору. Зображення надано M. Curatolo and L. Teresi та взято з їхньої презентації на Конференції спільноти COMSOL-2015 у Греноблі.
Порівняння результатів моделювання з натурними вимірами показало задовільну згоду. Дослідники сподіваються, що результати їхнього моделювання сприяють прогресу у вивченні способів пересування риб.
Вирішення задач FSI-моделювання в середовищі COMSOL Multiphysics
Моделювання плавання риб є лише одним із прикладів складних завдань, які можна вирішувати за допомогою інструментів FSI-моделювання середовища COMSOL Multiphysics. Такі інструменти дозволять вам моделювати безліч різних пристроїв – від змішувачів та проточних труб до коливальних структур у рідинах та пружно-пористих середовищах.