An immersed boundary method for fish-like swimming simulations

The study of flows over immersed structures is a widely researched field with significant relevance in various industrial sectors and applications. This work focuses on the modelling and simulation of external flows over deformable bodies with prescribed kinematics. The mathematical model of the fluid employs the incompressible Navier-Stokes equations, adapted to incorporate the interaction with the immersed body. The numerical solution is implemented using the open-source software OpenFOAM, which utilizes the Finite Volume Method to discretize the problem. Additionally, the Immersed Boundary Method is employed to handle meshes that do not conform to the structure. The numerical verification of the scheme and the calculation of forces were conducted using benchmark cases involving two-dimensional external flow around a cylinder and travelling wavy foils. Subsequently, the study focused on modelling the movement of a deformable body, reproducing the swimming of a fish while considering the constraints of inextensibility and mass conservation. Throughout two-dimensional simulations of the fish-like swimming, an analysis was conducted on the effects of oscillation frequency, movement amplitude, and motion pattern. This analysis encompassed the computation of thrust force and the examination of the vorticity pattern in the wake, revealing its impacts on the swim. Ultimately, three-dimensional simulations were executed utilizing a realistic fish geometry, featuring a particular focus on the topology of the wake.

Lo studio dei flussi su strutture immerse è un campo ampiamente studiato e di notevole rilevanza in diversi settori industriali e applicazioni. Questo lavoro si concentra sulla modellazione e sulla simulazione di flussi esterni su corpi deformabili con cinematica prescritta. Il modello matematico del fluido impiega le equazioni di Navier-Stokes incomprimibili, adattate per incorporare l'interazione con il corpo immerso. La soluzione numerica è implementata utilizzando il software open-source OpenFOAM, che utilizza il metodo dei volumi finiti per discretizzare il problema. Inoltre, il Metodo della Superficie Immersa viene utilizzato per gestire le maglie non conformi alla struttura. La verifica numerica dello schema e il calcolo delle forze sono stati condotti utilizzando casi di riferimento che coinvolgevano un flusso esterno bidimensionale attorno a un cilindro e lame ondulate in movimento. Successivamente, lo studio si è concentrato sulla modellazione del movimento di un corpo deformabile, riproducendo il nuoto di un pesce e considerando i vincoli di inestensibilità e conservazione della massa. Durante le simulazioni bidimensionali del nuoto simile a quello di un pesce, è stata condotta un'analisi degli effetti della frequenza di oscillazione, dell'ampiezza del movimento e del modello di movimento. Questa analisi ha incluso il calcolo della forza di spinta e l'esame del modello di vorticità nella scia, rivelando il suo impatto sul nuoto. Infine, sono state eseguite simulazioni tridimensionali utilizzando una geometria realistica del pesce, con una particolare attenzione alla topologia della scia.