CFD軟體完成多物理體研究海洋生物習性

在現有的科學研究基礎上，科學家們仍然在探索海洋的深度以及海洋生物是如何適應水下環境的。Hexagon | MSC Software 使用者- 日本近畿大學和美國緬因州海洋複合材料有限公司（以下簡稱MMC），近期開展了兩項研究，對藍鰭金槍魚和稜皮龜生活和鬥爭的習性提出一些有趣的見解。

CFD 揭示了「海洋鑽石」藍鰭金槍魚的生物特性

太平洋的藍鰭金槍魚（thunnus Orientalis）是一種美麗的大型魚類，被稱為「海洋鑽石」，天性喜歡在海洋中自由遊動。這使得對其行為進行仔細觀察很困難，導致很少對其生物學特性進行真正的探索。來自日本近畿大學農學院的Tsutumo Takagi 教授（以下稱高木教授）一直在使用MSC Software 的scFLOW 進行CFD 流體分析，以揭示這些動物的神祕天性。

藍鰭金槍魚是漁民和廚師眼中金槍魚家族裡最珍貴的魚。2002年，日本近畿大學甚至成功地養殖了這種特殊的魚類，並將其命名為「金黛金槍魚」，引起了廣泛的關注。高木教授注意到野生藍鰭金槍魚的生物學資料尚未完全收集，便開始對這種美麗的生物產生興趣。他決定使用流體分析軟體scFLOW來研究一般魚類的真實天性和未知的遊動特性，尤其關注藍鰭金槍魚。金槍魚是居住在公海的大型食肉魚類。它們是鱸形魚，屬鱸亞目，鱸科魚類。生物學分類實際上與鯖魚和劍魚相同。除藍鰭金槍魚外，還存在其他八種金槍魚，包括熟悉的黃鰭金槍魚和大眼金槍魚。藍鰭金槍魚是該類中最大的：它們重達400千克（882磅），最長可達3m（10英尺），被稱為「海洋鑽石」，僅佔全球金槍魚捕撈總量的2％，但在世界魚類市場上的交易量最高。高木教授和他的團隊決定使用流體分析軟體來調查藍鰭金槍魚的遊動能力，以更好地瞭解這種迷人的魚。金槍魚可以遊得非常快，可達90公里/小時（56英里/小時），而較慢的（例如，黃鰭金槍魚）可以達75公里/小時（47英里/小時）。相比之下，已知最快的海洋生物-印度洋-太平洋的旗魚遊動速度可達108km/h（68mph）。就每秒的體長速度而言，黃鰭金槍魚的速度為20BL/s（BodyLengths/s），印度洋-太平洋的旗魚的速度為15BL/s，這說明金槍魚是世界上最快的中型魚之一。考慮到速度和長距離游泳的能力，金槍魚身體受到的流體阻力很小。但一個未知的問題是：如何測量或計算金槍魚受的阻力？為了在水下環境中測試活的金槍魚，高木教授需要一個足夠大的魚缸，並且能夠改變流體的速度。還需要將阻力板附接到金槍魚上。高木教授認為即使研究團隊確實進行了這樣的測試，結果也將是不準確的，因此他開始使用計算流體分析工具。高木教授通過使用3D掃描器掃描真實的魚類來創建金槍魚的虛擬模型。這聽起來很簡單，但是對魚進行建模是一項困難的任務，需要準備冷凍的金槍魚（防止腐爛），並將冷凍的魚塗成白色以最大程度地減少所用鐳射束的漫反射（見下圖）。

高木教授使用CFD計算得出，在34釐米（1.1英尺）長的金槍魚上的阻力為5gf（0.355pdl）。這與直徑5毫米（0.2英寸），長15釐米（半英尺）的圓柱體相同。對於100釐米長的金槍魚，阻力為400gf（28.4pdl）。這等於直徑為30毫米（1.2英寸），長為15釐米（半英尺）的圓柱體的阻力。這些CFD結果表明，無論身高大小，金槍魚的阻力都相對較低。

高木教授利用scFLOW中的移動體功能解釋了魚尾的運動（如上圖）。他通過錄制真實金槍魚的視訊，創建了移動中金槍魚的平滑的虛擬表示方法，並使用周期函數近似魚體上每個點的真實運動。這幫助他進一步研究藍鰭金槍魚的運動，例如確定魚尾推力並分析相當於水下翅膀的胸鰭的向外運動。胸鰭對金槍魚的游泳能力至關重要，因為它會產生浮力。儘管金槍魚在體內具有氣囊，但不能提供足夠的浮力。因此，這就是金槍魚必須不斷游泳的原因之一。它們在水下使用類似飛機產生升力的機制。高木教授的CFD模擬清楚地表明，將金槍魚的胸鰭向外移動可以產生很大的升力。此外，金槍魚可以通過將胸鰭塞入身體側面的凹痕中來簡化身體，以最大程度地減少阻力。尾鰭附著在金槍魚尾巴根部的隆起，也起著小翅膀的作用。「對於更大的遷徙魚類，例如，印度洋-太平洋的魚類，其身體上附著了兩層尾鰭，就像雙翼飛機一樣。令人著迷的是，當我從流體分析的角度來看時，生物體設計背後的原因和目的變得顯而易見。」高木教授評論說。

MSC Adams幫助拯救纏結的稜皮龜

您喜歡在業餘時間釣魚嗎？許多人都喜歡……但是，除了我們要捕撈的魚類以外，對海洋動物來說，這可能是有害的，導致海龜越來越多地被錨繩和電纜纏住。最近，這種現象的發生頻率更高了，但發生的原因知道的很少。此外，這也很難去測量（參考文獻2），並且每年估計將近有4500只海龜由於被錨繩纏住而被意外捕獲。

MMC迫切需要解決的問題是：由於研究人員缺乏有關纏住的資訊，他們可以使用模擬軟體採取什麼措施來解決此問題並幫助海龜呢？如果沒有適當的測量，就無法模擬一個不熟悉的現實情景，也就是說，在烏龜被纏住的那一刻，人類很少在邊上，但是工程模擬軟體是一個幫助我們瞭解事情物理學原理的絕佳選擇。作為研究人員，MMC使用了世界領先的多體動力學軟體MSCAdams，以幫助瞭解可能發生的情況，從而找到解決方案。他們使用Adams開發了一個海龜遊動的計算模擬模型，然後模擬了它與漂浮錨繩的纏繞情況。使用這種方法準確地模擬了成年稜皮海龜（Dermochelyscoriacea）的行為（參考3-4）。通過成功再現海龜及其運動，MMC團隊大幅增加錨繩的彎曲剛度，以防止未來可能發生的纏繞。

最終，Adams計算模型給出了有關最新錨繩的建議，能夠減少纏繞事件的發生。MMC希望的結果是，更少的海龜被纏住，更多的美麗生物能夠繁衍下去。使用像MSCAdams這樣的工具可以幫助錨繩和魚線的設計人員減少稜皮龜纏繞事件的發生（全文請參見參考文獻5）。

稜皮海龜的MSC Adams MBD 模型被錨繩纏繞發生的過程，預計的纏繞終點和纏繞後實際海龜的典型照片

參考文獻

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