The crucial role of meshing in computational fluid dynamics simulations for organic geometries in paleobiology: Describing fluid dynamics performance through best practices

Identifier:  imarina:9465624

Handle: https://hdl.handle.net/20.500.11797/imarina9465624

Authors:  López-Pachón M; Marcé-Nogué J

Abstract:
Computational fluid dynamics (CFD) has become an essential tool for studying fluid interactions in biological systems. While widely used in engineering, its application in the natural sciences, particularly in paleobiology, remains limited due to the challenges of meshing complex organic geometries. This study aimed to bridge that gap by serving both as an accessible tutorial and as an empirical comparison of meshing strategies and their effects on simulation accuracy and efficiency. We analyse hybrid meshing techniques that integrate structured and unstructured grids to improve boundary layer resolution while optimizing computational costs. As a case study, we focus on the Japanese giant salamander (Andrias japonicus), assessing the impact of meshing choices on the accuracy of CFD simulations. Our approach involves comparing mesh configurations and evaluating their performance in reconstructing fluid dynamics around biological structures. Our findings demonstrate that well-optimized meshing strategies significantly enhance the reliability of CFD simulations in reconstructing biomechanics and ecological interactions of both extinct and extant species. The integration of structured and unstructured grids improves flow resolution, providing insights into locomotion, functional adaptations and environmental interactions. These results highlight the importance of meshing choices in advancing CFD applications in evolutionary biology. This study underscores the potential of CFD as a powerful tool in paleobiology and functional morphology. By offering both practical guidance and structured comparison of meshing techniques, we provide a framework that enhances the accessibility and accuracy of CFD simulations in evolutionary studies. Our work facilitates the integration of CFD into paleontological research, improving reconstructions of extinct species' biomechanics and ecological roles. La din & aacute;mica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en ingl & eacute;s) se ha convertido en una herramienta esencial para estudiar las interacciones de los fluidos en sistemas biol & oacute;gicos. Aunque es ampliamente utilizada en ingenier & iacute;a, su aplicaci & oacute;n en las ciencias naturales, particularmente en paleobiolog & iacute;a, sigue siendo limitada debido a los desaf & iacute;os que implica crear dominios computacionales de geometr & iacute;as org & aacute;nicas complejas. Este estudio busca cerrar esa brecha, sirviendo tanto como un tutorial accesible como una comparaci & oacute;n emp & iacute;rica de estrategias de mallado y sus efectos sobre la precisi & oacute;n y eficiencia de las simulaciones. Analizamos t & eacute;cnicas de mallado h & iacute;brido que integran mallas estructuradas y no estructuradas para mejorar la resoluci & oacute;n de la capa l & iacute;mite y, al mismo tiempo, optimizar los costos computacionales. Como estudio de caso, nos enfocamos en la salamandra gigante japonesa (Andrias japonicus), evaluando el impacto de las decisiones de mallado sobre la precisi & oacute;n de las simulaciones CFD. Nuestro enfoque consiste en comparar configuraciones de malla y evaluar su rendimiento al reconstruir la din & aacute;mica de fluidos alrededor de estructuras biol & oacute;gicas. Nuestros resultados demuestran que estrategias de mallado bien optimizadas mejoran significativamente la fiabilidad de las simulaciones CFD en la reconstrucci & oacute;n de interacciones biomec & aacute;nicas y ecol & oacute;gicas, tanto en especies extintas como actuales. La integraci & oacute;n de mallas estructuradas y no estructuradas mejora la resoluci & oacute;n del flujo, proporcionando informaci & oacute;n sobre locomoci & oacute;n, adaptaciones funcionales e interacciones con el entorno. Estos resultados subrayan la importancia de las decisiones de mallado para avanzar en las aplicaciones de CFD en biolog & iacute;a evolutiva. Este estudio destaca el potencial de los m & eacute;todos de CFD como una herramienta poderosa en paleobiolog & iacute;a y morfolog & iacute;a funcional. Al ofrecer tanto una gu & iacute;a pr & aacute;ctica como una comparaci & oacute;n estructurada de t & eacute;cnicas de mallado, proporcionamos un marco que mejora la accesibilidad y precisi & oacute;n de las simulaciones CFD en estudios evolutivos. Nuestro trabajo facilita la integraci & oacute;n de CFD en la investigaci & oacute;n paleontol & oacute;gica, mejorando la reconstrucci & oacute;n de la biomec & aacute;nica y los roles ecol & oacute;gicos de especies extintas.