Modelo hidroacústico de detección de atún

Abstract

[Resumo]: A detección pasiva de obxectos subacuáticos, como peixes en movemento, é un campo de crecente interese no eido da tecnoloxía mariña. No contexto deste proxecto coa empresa galega Marine Instruments, abórdase a simulación numérica do fluxo arredor dun atún en movemento, co obxectivo de caracterizar o seu rastro hidrodinámico e explorar métodos para a súa detección mediante sensores pasivos (hidrófonos). Marine Instruments é unha empresa especializada en tecnoloxía mariña avanzada nos ámbitos da seguridade marítima, pesca sostible e acuicultura de precisión, con forte base en acústica, intelixencia artificial e robótica. Dentro deste marco, o presente proxecto pretende contribuír á mellora de sistemas pasivos de detección mariña, empregando a dinámica de fluídos computacional (CFD) como ferramenta principal para comprender as perturbacións fluído-dinámicas que xera o movemento dun atún baixo a auga. A posibilidade de detectar un atún polo rastro que deixa no fluído presenta aplicacións potentes en pesca sostible e control de ecosistemas. A detección pasiva, a diferenza do sónar activo tradicional, evita emitir sinais que poidan perturbar o medio ou aos animais; no seu lugar, baséase en escoitar as perturbacións ou sinais acústicas xeradas polo propio peixe ao moverse. Un atún nadando a certa velocidade xera un ronsel turbulento e flutuacións de presión que poderían ser recollidas por hidrófonos afastados do animal. Este proxecto nace da necesidade de comprender e cuantificar estas perturbacións hidrodinámicas, co fin derradeiro de deseñar algoritmos ou dispositivos que permitan identificar a presenza e incluso a localización de peixes a partir do seu rastro no fluído. Os obxectivos principais do proxecto inclúen: 1. Desenvolver un modelo numérico en OpenFOAM que represente o fluxo turbulento arredor dun corpo con forma de peixe (atún) en movemento, tanto en dúas como en tres dimensións, incorporando movemento sólido e fluído compresible para capturar efectos acústicos. 2. Realizar unha análise detallada dos campos de presión, velocidade, turbulencia e vorticidade resultantes nas distintas fases de simulación (2D vs 3D, incompresible vs compresible, estático vs móbil). 3. Identificar os principais retos técnicos no modelado (mallado, movemento do corpo, estabilidade numérica) e implementar solucións axeitadas. 4. Utilizar ferramentas de post-procesado para extraer datos significativos (por exemplo, rexistros temporais de presión en puntos onde potencialmente se puideran situar os hidrófonos). 5. Avaliar as limitacións do modelo e propoñer melloras ou liñas futuras de investigación. A continuación preséntase a memoria técnica do proxecto, estruturada en seccións que cobren os fundamentos teóricos da simulación, a metodoloxía empregada, os problemas técnicos atopados e solucións implementadas, a análise das ferramentas empregadas, os resultados obtidos, unha discusión das limitacións e posibles melloras, así como as conclusións xerais. Cabe mencionar que o desenvolvemento deste traballo foi guiado pola revisión de bibliografía especializada en hidrodinámica de peixes e biomimética. Estudos previos, sobre o rendemento hidrodinámico de peixes carangiformes e atúns en particular (Machuca Macías et al., 2024), así como revisións sobre propulsión bio-inspirada (Feng et al., 2020) e redución de resistencia mediante CFD (Espenchitt, 2018) serviron de referencia conceptual. Así mesmo, consultouse bibliografía básica en mecánica de fluídos (Wilcox, 1993) e documentación oficial de OpenFOAM (Marić et al., 2012) para as cuestións técnicas de implementación.[Resumen]: La detección pasiva de objetos submarinos, como peces en movimiento, es un campo de creciente interés en el ámbito de la tecnología marina. En el contexto de este proyecto con la empresa gallega Marine Instruments, se aborda la simulación numérica del flujo alrededor de un atún en movimiento, con el objetivo de caracterizar su estela hidrodinámica y explorar métodos para su detección mediante sensores pasivos (hidrófonos). Marine Instruments es una empresa especializada en tecnología marina avanzada en los ámbitos de la seguridad marítima, pesca sostenible y acuicultura de precisión, con una sólida base en acústica, inteligencia artificial y robótica. En este marco, el presente proyecto pretende contribuir a la mejora de sistemas pasivos de detección marina, empleando la dinámica de fluidos computacional (CFD) como herramienta principal para comprender las perturbaciones fluido-dinámicas que genera el movimiento de un atún bajo el agua. La posibilidad de detectar un atún por la estela que deja en el fluido presenta aplicaciones importantes en pesca sostenible y control de ecosistemas. La detección pasiva, a diferencia del sónar activo tradicional, evita emitir señales que puedan perturbar el medio o a los animales; en su lugar, se basa en escuchar las perturbaciones o señales acústicas generadas por el propio pez al moverse. Un atún nadando a cierta velocidad genera una estela turbulenta y fluctuaciones de presión que podrían ser recogidas por hidrófonos alejados del animal. Este proyecto nace de la necesidad de comprender y cuantificar estas perturbaciones hidrodinámicas, con el fin último de diseñar algoritmos o dispositivos que permitan identificar la presencia e incluso la localización de peces a partir de su estela en el fluido. Los objetivos principales del proyecto incluyen: 1. Desarrollar un modelo numérico en OpenFOAM que represente el flujo turbulento alrededor de un cuerpo con forma de pez (atún) en movimiento, tanto en dos como en tres dimensiones, incorporando movimiento sólido y fluido compresible para capturar efectos acústicos. 2. Realizar un análisis detallado de los campos de presión, velocidad, turbulencia y vorticidad resultantes en las distintas fases de simulación (2D vs 3D, incompresible vs compresible, estático vs móvil). 3. Identificar los principales retos técnicos en el modelado (mallado, movimiento del cuerpo, estabilidad numérica) e implementar soluciones adecuadas. 4. Utilizar herramientas de postprocesado para extraer datos significativos (por ejemplo, registros temporales de presión en puntos donde potencialmente pudieran situarse los hidrófonos). 5. Evaluar las limitaciones del modelo y proponer mejoras o líneas futuras de investigación. A continuación se presenta la memoria técnica del proyecto, estructurada en secciones que cubren los fundamentos teóricos de la simulación, la metodología empleada, los problemas técnicos encontrados y soluciones implementadas, el análisis de las herramientas utilizadas, los resultados obtenidos, una discusión de las limitaciones y posibles mejoras, así como las conclusiones generales. Cabe mencionar que el desarrollo de este trabajo fue guiado por la revisión de bibliografía especializada en hidrodinámica de peces y biomimética. Estudios previos sobre el rendimiento hidrodinámico de peces carangiformes y atunes en particular (Machuca Macías et al., 2024), así como revisiones sobre propulsión bioinspirada (Feng et al., 2020) y reducción de resistencia mediante CFD (Espenchitt, 2018), sirvieron de referencia conceptual. Asimismo, se consultó bibliografía básica en mecánica de fluidos (Wilcox, 1993) y documentación oficial de OpenFOAM (Marić et al., 2012) para las cuestiones técnicas de implementación.