通过研究鱼类的运动，研究人员设计出了各种能在水下环境灵活操控的器械和机器人。开展这类研究时，往往需要对鱼和周围环境进行一个流固耦合（FSI）分析。罗马第三大学的研究人员使用 COMSOL Multiphysics 模拟了鱼类的摆尾式游动法，精确计算了其中的动力学。
经过数百万年的进化，现在鱼类能够轻松快速地在水下环境中移动，水就是它们的家。为解决这些问题，人们在开发各类水下设计时常常会从鱼类身上寻找灵感。对鱼类游动方式的探索帮助我们优化了水下技术的设计。例如，康奈尔大学的研究人员正在开发一款柔体机器人，希望它能像七鳃鳗一样游动。
如要开发这类机器人，研究人员需要了解鱼类如何在水下环境中移动。他们可以借助 FSI 研究来分析流体速度、压力及鱼承受的应力及应变。
通过分析流体环境对鱼类移动的影响及进行反向分析，研究人员将能获得非常有价值的精确结果。今天，我们将探讨罗马第三大学的一组研究人员如何使用 COMSOL Multiphysics 的 FSI 仿真功能来分析鱼类的移动，他们在论文“虚拟水族馆：鱼类游动的仿真”中对此进行了讨论。
在分析中，研究人员采用二维方法来计算鱼类在流体域自由游动时的运动状态。他们模拟了鱼体（固相）及周围咸水（液相）之间的相互作用。他们还使用变形的概念模拟了鱼类肌肉的收缩。仿真重点研究了鱼类的一种移动方式，摆尾式游动，这时鱼身上的肌肉按从头到尾的顺序呈波浪状收缩。在他们的仿真研究中，研究团队尝试分析不同时间段内的摆尾式游动。不过，当鱼在虚拟水族箱内移动时，会造成周围网格的变形。
上面提到的仿真技巧帮助团队精确研究了鱼类的运动对流体环境的影响，包括尾波的产生。当一个类似鱼的固体在流体环境中移动时，会在它的背后产生尾波，或称扰流区域。针对这种情况，研究团队使用 COMSOL Multiphysics 来观察和分析波的样式及由摆尾式游动产生的漩涡。他们发现鱼尾的每次划动都会产生一些漩涡，漩涡内核间的相互距离保持不变。
为了进一步理解周围盐水和鱼体之间的相互作用，研究人员还计算了升力和曳力。结果显示鱼尾的速度分量与升力和曳力之间有极强的相似性。研究团队对比了模型结果与实际测量的结果，发现二者非常契合。他们希望这一仿真结果能够激发出更多有关鱼类运动的研究进展。
我们可以借助 COMSOL Multiphysics 的 FSI 功能解决许多复杂问题，对游鱼的模拟仅是其中的简单一例。您可以借助这些工具来模拟各种单元，从混合器和管道流，到流体和多孔弹性介质中的振动结构等。