基于流体-结构耦合(FSI)的圆形游动模式对近海养殖水动力及溶解氧分布影响研究

为解决近海养殖中鱼类游动行为对流体动力学及溶解氧(DO)分布的影响问题，研究人员开发了基于OpenFOAM的浸没边界法(IB)流体-结构耦合(FSI)模型，模拟彩虹鳟鱼圆形游动模式。研究发现高频摆尾(T=0.25s)能显著增强湍流动能(TKE)并促进DO扩散，为优化养殖笼设计和鱼类健康管理提供了理论依据。

　　

在近海养殖业快速发展的背景下，鱼类游动行为对养殖环境的水动力特性影响长期被忽视。传统研究多聚焦空网箱的水交换特性，而实际养殖中鱼群的周期性游动会产生复杂涡流，既可能通过增强混合改善溶解氧(DO)分布，又可能改变网箱系统的受力状态。这种流体-结构相互作用(FSI)的量化难题，制约着高密度养殖的可持续发展。

针对这一科学问题，来自英国伦敦大学玛丽女王学院的研究团队在《Computers and Electronics in Agriculture》发表创新成果。他们基于开源计算流体力学平台OpenFOAM，开发了三维浸没边界法(IB)模块DFIBMFoam，首次实现了对圆形游动鱼群的多尺度模拟。研究通过耦合NACA0012翼型运动方程与Navier-Stokes方程，采用二阶Adams-Bashforth时间离散和高斯线性空间离散方案，建立了从个体摆尾到群体涡流演化的完整计算框架。

2.1 流体动力学建模
团队采用离散化浸没边界法，将鱼体表面离散为拉格朗日点，通过平滑delta函数实现欧拉网格与鱼体运动的双向耦合。验证实验显示，该模型对振荡圆柱绕流的涡脱落频率预测误差<3%，自推进鱼类游速模拟与Fluent商业软件结果吻合。

4.2 涡旋演化规律
在静止水域中，10尾彩虹鳟鱼(体长L=0.1m)以半径0.3m做圆周游动时，产生的反对称涡对会逐渐填充整个养殖区域。当存在0.05m/s的来流时，下游涡旋强度增强2.3倍，形成类似圆柱绕流的尾迹屏蔽效应。

4.4 湍流特性
比较不同摆尾周期(T)发现：T=0.25s时二维湍流动能(TKE)峰值达0.015m²
/s²
，是T=1.0s工况的4.7倍。高频摆尾产生的强湍流显著提升水混合效率，这对封闭式养殖系统的溶氧管理具有指导价值。

4.5 溶解氧传输
在初始中心缺氧(DO=2mg/L)的模拟中，T=0.25s鱼群仅需30秒即可消除90%的低氧区，而T=1.0s组仍有明显浓度梯度。这表明鱼群游动频率是调控养殖环境溶氧的关键生物因子。

这项研究首次量化了鱼类集体游动对养殖水环境的工程影响，其开发的DFIBMFoam模块已开源(GitHub/MsureCFD)。研究不仅为网箱群优化布局提供了流体力学依据——下游网箱可减少20%间距而侧向需增加15%，更揭示了通过调控放养密度可主动改善水体交换的创新思路。未来工作将扩展至三维多鱼种耦合模拟，并整合鱼类呼吸代谢模型，为智慧养殖提供新一代数字孪生工具。