案例分享 | 利用多物理场探索海洋动物的行为

在探索海洋深度及生物适应性的同时，科学家们不断挖掘海洋的秘密。近期，日本近畿大学和美国缅因州海洋复合材料有限公司（MMC）通过先进的计算流体动力学（CFD）与多体动力学（MBD）分析，深入研究了蓝鳍金枪鱼与棱皮龟的生存策略与习性。应用一系列专业工具及技术，此研究为海洋生物的理解及保护提供了宝贵的信息。

金枪鱼的生物特性揭示


CFD探秘海洋钻石

太平洋的蓝鳍金枪鱼（Thunnus orientalis）因其优雅与罕见性而被誉为“海洋钻石”。它们丰富的游动力使得实验观察变得极具挑战性，限制了对这些大型肉食动物生物学特性的深入探索。近年来，日本近畿大学的Tsutumo Takagi 教授（高木教授）通过与MSC Software的scFLOW软件合作，开展流体动力学分析，揭示了此类大型鱼类的微妙特性。

高木教授及其团队成功养殖了蓝鳍金枪鱼并命名为“金黛金枪鱼”，引起颇大关注。然而野生蓝鳍金枪鱼的生物学数据并不完全，这让研究团队开始关注这种生物的未知游泳特性和真实天性。scFLOW被用于研究一般鱼类的足迹与游动特性，尤其聚焦于蓝鳍金枪鱼。




艰巨的建模挑战与隐藏的阻力法则

金枪鱼能够以高超的速度游动：速度可达90公里/小时（56英里/小时），而较慢种类如黄鳍金枪鱼的速度也达到75公里/小时（47英里/小时）。对比之下，印度洋太平洋的旗鱼的速度甚至更高，达到108km/h（68mph）。高木教授致力于研究这些高速度背后的物理机制，与金枪鱼独特设计的工程学原理之间的关联。

众所周知，金枪鱼的阻力系数相对较低，这有助于它们在长距离游泳中保持高速。然而，计算金枪鱼在水下的阻力系数并非易事。通常需要使用CFD工具，通过3D扫描真实的鱼类并创建复现模型，高木教授开始探索如何准确估算这些水生动体的阻力。他发现，即便在数字化建模过程中面临冻结鱼鱼肉以防腐败及减少反射光的复杂细节，CFD工具依旧能够揭示金枪鱼在不同尺寸下的正常阻力规律。

游动分析与升力生成：尾鳍与胸鳍带来的启示

通过分析尾鳍的运动及使用scFLOW中的移动体功能仿真，高木教授开始挖掘这两块与其他鱼类看来截然不同的鳍状构造，即鳍翼和胸鳍，其对金枪鱼游动能力的影响。虽然金枪鱼体内含有气囊，提供一定的浮力，但它们依然依赖于持续游动以保持水中的位置。尾鳍不仅仅是一个引擎；它起着小翅膀的作用，帮助金枪鱼在液压腔中生成升力。高木教授的仿真揭示了胸鳍向外的移动能够产生显著的升力，同时通过让胸鳍融入身体侧面的凹槽中来简化鱼体，以减少游动阻力。在对比不同地区鱼类（如印度洋太平洋鱼类）的模型时，高木教授发现它们可能携带两层尾鳍结构，类似于双翼飞机，这为生物体设计背后的逻辑和目标提供了困扰人类已久的解释。

保护棱皮龟的仿真解决方案

在尝试通过钓鱼来放松的民众逐渐对海洋生态造成危机的同时，棱皮龟（Dermochelys coriacea）面临着日益严重的威胁——越来越多地被锚绳和电缆缠住。最近频发的事件，以及对造成这一现象原因的缺失理解，呼唤了更有效的解决方案。

用仿真解决海洋威胁

为了应对这一问题，“破解这个盒子”，MMC利用世界领先的多体动力学软件MSC Adams。通过构建棱皮龟游动的计算模型，然后模拟它与飘浮锚绳的缠绕情况，研究人员得以以一种物理原理上准确的方式预见到海洋生物的行为。通过Adams工具的具体应用，其团队得出结论，大幅增加锚绳的弯曲刚度可以有效防止这类动物被缠绕。这意味着软件不仅揭示了解决方法，还预见了未来某些情况，为避免不必要的伤害提供了策略指导。

释放小动物，保护自然

通过运用像MSC Adams这样的专业工具，不仅能够减少像棱皮龟这样的海洋哺乳动物遭受锚绳伤害的风险，还能引导设计人员在锚绳及线条构建时采取减少伤害的策略。研究成果直接提升了环境保护措施的针对性与效率，确保了更多美丽生物能够繁衍下去。

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