案例分享 | SC/Tetra结合流体分析在渔业领域的应用

  

蓝鳍金枪鱼(thunnus orientalis)

一种被称为“海洋珍宝”的美丽大型鱼类——在海洋中自由畅游。难以近距离观测使他们的生物学特性极少被探索。近畿大学农业学院的高木聪教授一直在应用流体分析来揭示蓝鳍金枪鱼的神秘性质。

近畿大学高木教授（农业学院渔业系渔业生产系统实验室）

揭开蓝鳍金枪鱼的真正本质----“海洋珍宝”                                                         

        蓝鳍金枪鱼是金枪鱼家族中最为珍贵的。2002年，近畿大学成功饲养了这钟特殊的鱼并命名为Kindai金枪鱼，引起了公众的广泛关注。

        近畿大学（农业系渔业系渔业生产系统实验室）高木教授解释说，蓝鳍金枪鱼的生物数据尚未完全收集。高木教授使用流体分析来研究鱼类的真实性质和未知特征，但特别关注蓝鳍金枪鱼。

        金枪鱼是生活在海洋中的大型食肉鱼类。它们是鲈鱼科成员，属于鱼亚目。它们的生物学分类与鲭鱼和剑鱼相同。除蓝鳍金枪鱼外，还有八个其他物种，包括广为人知的黄鳍金枪鱼和大眼金枪鱼。蓝鳍金枪鱼是其中最大的，可重达400公斤（882磅），长达3米(10英尺）。它们被称为“海洋珍宝”，只占金枪鱼捕获量的2成，但以最高的利润在市场上交易。高木教授及其团队一直在使用流体分析来研究蓝鳍金枪鱼的游泳能力。

      金枪鱼游得很快。有些速度可以接近90公里/小时（56英里/小时)，较慢的如黄鳍金枪鱼，速度在75公里/小时(47英里/小时)。被称为最快海洋生物的印度洋旗鱼游泳速度在每小时108公里（68英里/小时)。就每秒距离而言，黄鳍金枪鱼在20BL/s，印度洋旗鱼在15BL/s，这表明金枪鱼是游泳速度最快的中型鱼类之一。

        考虑到它们的速度和长距离游泳能力，金枪鱼身体上的流体阻力被认为很小。但需要解答的问题是：如何测量或计算金枪鱼的阻力？为了在水下环境中测试一条活的金枪鱼，高木教授需要一个足够大的鱼缸来让其游泳。鱼缸需要具备改变流体速度的能力，还需要在鱼身上贴一个抗阻板。高木教授相信，即使研究小组成功地进行了这样的测试，结果也是不准确的，因此他研究了计算流体分析的应用。高木教授通过使用3D扫描仪扫描真正的金枪鱼，创建了鱼的虚拟模型。教授回忆说，给鱼建模是一项艰巨的任务。它需要准备一个冷冻金枪鱼，以防止腐烂，并将鱼涂成白色，以尽量减少激光的二次反射。

在3D扫描仪上扫描的冷冻金枪鱼

模拟金枪鱼的推力与升力

       利用流体分析工具，高木教授计算了游泳距离34厘米（1.1英尺）长的金枪鱼其阻力为5gf(0.355pdl)。这与一个5毫米（0.2英寸)直径、15厘米(半英尺）长的圆柱体阻力相同。对于100厘米的金枪鱼，阻力为400gf(28.4pdl)。这相当于30毫米（1.2英寸)直径，15厘米(半英尺）长的圆柱体的阻力。这些分析结果表明金枪鱼的阻力相对较低，无论身体大小。

        

        高木教授进行了一个模拟来解释这个运动的尾巴。他通过录制一段真实金枪鱼的视频，并模拟创建了一个运动金枪鱼的平滑模拟表示具有周期函数的物体上每个点的运动。这使他能够进一步研究蓝鳍金枪鱼的运动，由此对尾鳍的推进力、代替翼的胸鳍张开等各种状态进行了分析。

尾巴运动的蓝鳍金枪鱼流体分析

        

       胸鳍对于金枪鱼的游泳能力是必不可少的，因为它会产生升力。虽然金枪鱼体内有气囊，但这些囊并不能完全维持保持浮力所需的向上力量。这是原因之一。金枪鱼必须不停地游动，是取决于他们类似飞机升降机的结构。高木教授的模拟表明，金枪鱼胸鳍向外移动可以产生巨大的升力。此外，金枪鱼还可以通过将胸鳍塞入身体两侧的凹陷中来简化身体以减少阻力。尾梗是连接在金枪鱼尾巴根部的凸起，起着小翅膀的作用。“对于像印度洋旗鱼这样的大型洄游鱼类来说，两层尾鳍就像双翼一样附着在一起。这非常有趣。当我从流体分析的角度来看生物外形演变背后的原因和目的变得显而易见，“高木教授评论说。

通过分析揭示了运动背后的逻辑

        据高木教授介绍，流体分析产生的定量结果说明了为什么金枪鱼在前进时会上下游动。这种特殊的游泳风格早已被科学家注意到，并且被认为此举能够提高效率。另一种理论提出，鱼使用滑行来休息，这使它们能够游得更远。然而，在生物测量技术问世之前，这两种理论都没有得到证实。这项技术使实时测量成为可能。

        通过将传感器附加到鱼身上并监测它们的运动和环境条件。

        利用水深、身体倾斜程度和尾部振动计数的数据，高木教授进行了流体分析，并成功地证实了这一点效率理论。高木教授了解到，通过改变水深来推进，可以减少10~20%移动所需的能量。

从形状解码行为机制

       

        高木教授在对一只日本比目鱼进行分析时首先对其生活行为研究产生了兴趣。高木教授最初专门从事工程，之前从事模拟金枪鱼渔业中使用的圆形围网研究。这项工作的一部分涉及到对日本比目鱼的行为进行数字化研究。

使用SC/Tetra对橄榄比目鱼的分析结果

        利用流体分析计算日本比目鱼的升力和阻力值，高木教授确定了日本比目鱼稳定滑行所需的理想角度。他发现计算结果与观测结果相匹配。高木教授注意到了这一点。他很欣喜地发现鱼的行为符合他的计算结果。这就和车辆的设计方式一样。

用流体分析代替实验测试

      

        高木教授在他的研究中使用SCFLOW/SC/Tetra已经十多年了。该软件具有易于操作和计算精度高。流体分析的使用一直很有吸引力，但高木教授认识到，他开发自己的工具需要大量的时间和成本。他发现SCFLOW/SC/Tetra在追求实用性，这对他的团队来说是既能提高效率，又能研究机理。

        

       高木教授对SCFLOW/SC/TetraSC/Tetra的能力感到满意。该软件不仅易于使用，而且具有超高的并行效率以及计算速度。

        结果并包括优越的技术支持。高木教授认识到计算分析工具 可能无法完美地模拟自然界中发生的复杂物理现象，但可以用于研究趋势。例如，分析方法可以用来比较两个攻击角度之间的阻力差异。

        

         “我们还没有完全掌握这一操作。例如，当我们比较鲨鱼和日本比目鱼时，我们仍然在努力了解其皮肤表面发生的湍流。

        分析是棘手的，因为结果可能在很大程度上取决于所使用的湍流模型。从我们的硬件环境来看为研究做好了准备，提高了计算机能力，价格已经变得合理了。因为我们需要的设备在我们的研究预算之内，所以我们受益匪浅。

        获得准确的实验结果是极其困难的。我们只能从实验测量中获得近似值。仿真是唯一的方法为我们提供准确的结果。这种流体分析工具已经成为我们不可或缺的工具，“高木教授评论说。

更多地利用ICT信息和通信技术（信息和通信技术）促进渔业发展

       高木教授希望在渔业领域更多地利用信息和通信技术。在农业领域，ICT已变得更加普遍，用于环境监测和作物观测。然而，将ICT技术应用于广阔而深的水下环境并不是一项容易的任务。

使用SC/Tetra分析蓝鳍金枪鱼

左为近畿大学（农业系渔业生产系统实验室）第二年博士生Shin Ogawa先生

右为近畿大学（农业系渔业系）讲师Shinsuke Torizawa先生

        高木教授对鱼类行为和圆形拖网模拟的研究被认为是有意义的技术进步。在未来，流体分析可以通过分析其行为模式和游泳速度，有选择地捕获特别有利大小的鱼。制定渔业指导方针有望提高水产资源的供应效率，稳定生产。将ICT与渔业相结合的概念被高木教授和该领域的其他研究人员称为“智能捕鱼“。显然，将信息和通信技术应用于渔业有很大的增长空间。