案例分享 | 利用多物理场探索海洋动物的行为
作者: Dr. Keith Hanna, MSC Software
在现有的科学研究基础上，科学家们仍然在探索海洋的深度以及海洋生物是如何适应水下环境的。Hexagon | MSC Software 用户- 日本近畿大学和美国缅因州海洋复合材料有限公司（以下简称MMC），近期开展了两项研究，对蓝鳍金枪鱼和棱皮龟生活和斗争的习性提出一些有趣的见解。
太平洋的蓝鳍金枪鱼（thunnus Orientalis）是一种美丽的大型鱼类，被称为“海洋钻石”，天性喜欢在海洋中自由游动。这使得对其行为进行仔细观察很困难，导致很少对其生物学特性进行真正的探索。来自日本近畿大学农学院的Tsutumo Takagi 教授（以下称高木教授）一直在使用MSC Software 的scFLOW 进行CFD 流体分析，以揭示这些动物的神秘天性。
蓝鳍金枪鱼是渔民和厨师眼中金枪鱼家族里最珍贵的鱼。2002 年，日本近畿大学甚至成功地养殖了这种特殊的鱼类，并将其命名为“金黛金枪鱼”，引起了广泛的关注。高木教授注意到野生蓝鳍金枪鱼的生物学数据尚未完全收集，便开始对这种美丽的生物产生兴趣。他决定使用流体分析软件scFLOW 来研究一般鱼类的真实天性和未知的游动特性，尤其关注蓝鳍金枪鱼。金枪鱼是居住在公海的大型食肉鱼类。它们是鲈形鱼，属鲈亚目，鲈科鱼类。生物学分类实际上与鲭鱼和剑鱼相同。除蓝鳍金枪鱼外，还存在其他八种金枪鱼，包括熟悉的黄鳍金枪鱼和大眼金枪鱼。蓝鳍金枪鱼是该类中最大的：它们重达400 千克（882 磅），最长可达3m（10 英尺），被称为“海洋钻石”，仅占全球金枪鱼捕捞总量的2％，但在世界鱼类市场上的交易量最高。高木教授和他的团队决定使用流体分析软件来调查蓝鳍金枪鱼的游动能力，以更好地了解这种迷人的鱼。金枪鱼可以游得非常快，可达90公里/小时（56英里/小时），而较慢的（例如，黄鳍金枪鱼）可以达75公里/小时（47英里/小时）。相比之下，已知最快的海洋生物-印度洋-太平洋的旗鱼游动速度可达108km / h（68mph）。就每秒的体长速度而言，黄鳍金枪鱼的速度为20BL / s（BodyLengths / s），印度洋-太平洋的旗鱼的速度为15BL / s，这说明金枪鱼是世界上最快的中型鱼之一。考虑到速度和长距离游泳的能力，金枪鱼身体受到的流体阻力很小。但一个未知的问题是：如何测量或计算金枪鱼受的阻力？为了在水下环境中测试活的金枪鱼，高木教授需要一个足够大的鱼缸，并且能够改变流体的速度。还需要将阻力板附接到金枪鱼上。高木教授认为即使研究团队确实进行了这样的测试，结果也将是不准确的，因此他开始使用计算流体分析工具。高木教授通过使用3D扫描仪扫描真实的鱼类来创建金枪鱼的虚拟模型。这听起来很简单，但是对鱼进行建模是一项困难的任务，需要准备冷冻的金枪鱼（防止腐烂），并将冷冻的鱼涂成白色以最大程度地减少所用激光束的漫反射（见下图）。
蓝鳍金枪鱼 ( 来源:Wikipedia.org)
高木教授实验室的3D 扫描仪上对金枪鱼进行扫描，
得到的几何图形和表面网格
高木教授使用CFD计算得出，在34厘米（1.1英尺）长的金枪鱼上的阻力为5gf（0.355pdl）。这与直径5毫米（0.2英寸），长15厘米（半英尺）的圆柱体相同。对于100厘米长的金枪鱼，阻力为400gf（28.4pdl）。这等于直径为30毫米（1.2英寸），长为15厘米（半英尺）的圆柱体的阻力。这些CFD结果表明，无论身高大小，金枪鱼的阻力都相对较低。
scFLOW CFD 分析预测使用尾鳍游动的蓝鳍金枪鱼的体表压力
高木教授利用scFLOW中的移动体功能解释了鱼尾的运动（如上图）。他通过录制真实金枪鱼的视频，创建了移动中金枪鱼的平滑的虚拟表示方法，并使用周期函数近似鱼体上每个点的真实运动。这帮助他进一步研究蓝鳍金枪鱼的运动，例如确定鱼尾推力并分析相当于水下翅膀的胸鳍的向外运动。
胸鳍对金枪鱼的游泳能力至关重要，因为它会产生浮力。尽管金枪鱼在体内具有气囊，但不能提供足够的浮力。因此，这就是金枪鱼必须不断游泳的原因之一。它们在水下使用类似飞机产生升力的机制。高木教授的CFD仿真清楚地表明，将金枪鱼的胸鳍向外移动可以产生很大的升力。此外，金枪鱼可以通过将胸鳍塞入身体侧面的凹痕中来简化身体，以最大程度地减少阻力。尾鳍附着在金枪鱼尾巴根部的隆起，也起着小翅膀的作用。“对于更大的迁徙鱼类，例如，印度洋-太平洋的鱼类，其身体上附着了两层尾鳍，就像双翼飞机一样。令人着迷的是，当我从流体分析的角度来看时，生物体设计背后的原因和目的变得显而易见。”高木教授评论说。
您喜欢在业余时间钓鱼吗？许多人都喜欢……但是，除了我们要捕捞的鱼类以外，对海洋动物来说，这可能是有害的，导致海龟越来越多地被锚绳和电缆缠住。最近，这种现象的发生频率更高了，但发生的原因知道的很少。此外，这也很难去测量（参考文献2），并且每年估计将近有4500只海龟由于被锚绳缠住而被意外捕获。
MMC迫切需要解决的问题是：由于研究人员缺乏有关缠住的信息，他们可以使用仿真软件采取什么措施来解决此问题并帮助海龟呢？如果没有适当的测量，就无法模拟一个不熟悉的现实情景，也就是说，在乌龟被缠住的那一刻，人类很少在边上，但是工程仿真软件是一个帮助我们了解事情物理学原理的绝佳选择。作为研究人员，MMC使用了世界领先的多体动力学软件MSC Adams，以帮助了解可能发生的情况，从而找到解决方案。他们使用Adams开发了一个海龟游动的计算仿真模型，然后模拟了它与漂浮锚绳的缠绕情况。使用这种方法准确地仿真了成年棱皮海龟（Dermochelys coriacea）的行为（参考3-4）。通过成功再现海龟及其运动，MMC团队大幅增加锚绳的弯曲刚度，以防止未来可能发生的缠绕。
棱皮海龟 ( 来源:Wikipedia.org)
最终，Adams 计算模型给出了有关最新锚绳的建议，能够减少缠绕事件的发生。MMC 希望的结果是，更少的海龟被缠住，更多的美丽生物能够繁衍下去。使用像MSC Adams 这样的工具可以帮助锚绳和鱼线的设计人员减少棱皮龟缠绕事件的发生（全文请参见参考文献5）。
棱皮海龟的MSC Adams MBD 模型被锚绳缠绕发生的过程，
预计的缠绕终点和缠绕后实际海龟的典型照片
参考文献
1.Bluefin Tuna Case Study:https://www.cradle-cfd.com/casestudy/user_interview/0000000019
2.“Simulation of marine entanglement a software tool used to predict entanglement of leatherback turtles” by Michael MacNicoll, Richard Akers and Clifford Goudey, Oceans 2017 Conference, Anchorage, USA
3.Leatherback Turtle Adams Entanglement simulation:
https://www.youtube.com/watch?v=7tlBn_jcl28\
4.Leatherback Turtle Entanglement Webinar
5.https://www.mscsoftware.com/events_assets/Webcasts/2018_Webinars/save-marine-life-simulate-entanglement-of-leatherback-sea-turtles-using-adams-embedded-nonlinearity.html
