組合式金字塔型人工魚礁水動力學(xué)分析

趙 林，鄧 超，于振江，孫利元，涂 忠，鄭中強，常宗瑜

(1 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2 山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100；3 山東省水生生物資源養(yǎng)護管理中心，山東 煙臺264000)

人工魚礁是海洋牧場的重要組成部分。人工魚礁投放海底后，魚礁周圍流場發(fā)生變化，會使得非通透性人工魚礁前部產(chǎn)生相當(dāng)量的局部上升流。上升流將底層的營養(yǎng)物質(zhì)及沉積物帶起流動，可促使海底有機物上升，有利于魚類攝食，同樣也會在魚礁背部產(chǎn)生一個渦流區(qū)，渦流區(qū)產(chǎn)生低頻震蕩刺激魚類定向游動，這會產(chǎn)生集魚效果。另外，此區(qū)域流速較緩慢，可以對魚類起到庇護、繁衍和棲息的作用[1-2]。人工魚礁的投放對于修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境、提高漁獲量有重要價值。

對于人工魚礁流場的研究主要有現(xiàn)場觀察、物理模型實驗(風(fēng)洞實驗[3-7]、水槽實驗[8-11]及PIV觀測[1、12-14])和數(shù)值仿真模擬[15-30]3種手段。流體經(jīng)過人工魚礁后，在人工魚礁前部形成上升流區(qū)，人工魚礁中部形成紊流區(qū)，渦流區(qū)域形成分布于人工魚礁后部。Seaman[3]指出在魚礁的阻流作用下，人工魚礁下游的流場可分為3個區(qū)域：紊流區(qū)、過渡區(qū)和未受擾動區(qū)。

人工魚礁周邊生態(tài)環(huán)境和漁場資源的改善與人工魚礁周邊水動力環(huán)境密切相關(guān)。與方型人工魚礁及三棱柱型人工魚礁等相比，組合式金字塔型人工魚礁的表面積大，透空性好，因此本文選取組合式金字塔型人工魚礁進行水動力學(xué)分析，為今后人工魚礁的選型提供一定參考。

1 組合式金字塔型人工魚礁結(jié)構(gòu)

組合式金字塔型人工魚礁(以下簡稱金字塔型魚礁)如圖1所示，金字塔型魚礁的組裝如圖2所示，投放過程如圖3所示。此魚礁有著礁體表面積大、透空性良好及透水性充足等特點。本研究通過Fluent流體軟件，模擬分析不同來流速度下魚礁的擾流情況，獲得其在三維擾流下的流場分布情況，繪制金字塔型魚礁的紊流區(qū)三維立體分布圖。金字塔型魚礁體表掛滿圓形導(dǎo)流盤，由錳鋼作為魚礁的主要筋骨構(gòu)成的混凝土柱體拼接而成，整個人工魚礁占地100 m2,單個礁體500 m3，質(zhì)量26 t。該金字塔型魚礁長寬高為5.4 m×5.4 m×4 m，同傳統(tǒng)的框架型魚礁、星型魚礁相比，具有產(chǎn)生流場復(fù)雜、尺寸適應(yīng)、結(jié)構(gòu)中空隙(開孔、裂縫、壁和突起物等)高等特點。

圖1 組合式金字塔型人工魚礁

圖2 組合式金字塔型人工魚礁的組裝 圖3 組合式金字塔型人工魚礁的投放

流體計算區(qū)域大小如圖4所示，分區(qū)網(wǎng)格劃分如圖5所示。采用四面體網(wǎng)格與六面體網(wǎng)格同時存在的方式進行網(wǎng)格分區(qū)劃分，靠近魚礁及魚礁尾流處網(wǎng)格采用加密四面體網(wǎng)格，其他區(qū)域采用較為稀疏的六面體網(wǎng)格劃分。外部六面體網(wǎng)格規(guī)格為120 mm，靠近魚礁區(qū)域采用不同網(wǎng)格尺寸進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。采用相同的來流速度0.2 m/s分析在水流方向上魚礁受到的力的變化情況(圖6)，選用四面體規(guī)格為20 mm進行后續(xù)計算，此時網(wǎng)格數(shù)目為489 579。

圖4 計算區(qū)域 圖5 網(wǎng)格劃分

圖6 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

采用的水流運動控制方程為定常、不可壓縮條件下的連續(xù)方程、N-S方程和RNGK-ε湍流模型。對于邊界條件，進口采用均勻流速入口；出口采用自由出流條件；所有固體壁面采用無滑移條件。

對非穩(wěn)態(tài)的N-S方程作時間演算，得到以下方程。

動量方程：

(1)

湍流運動的連續(xù)性方程：

(2)

其他變量φ輸運方程：

(3)

在Fluent計算中采用RNGK-ε模型，使得附加項與時均值聯(lián)系起來，采用Simple算法進行壓力速度耦合來求解運算。

2 組合式金字塔型人工魚礁水動力學(xué)特性分析

采用計算流體動力學(xué)Fluent軟件模擬分析4種不同來流速度(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)下的金字塔型魚礁周圍三維繞流場，重點分析魚礁周圍流場分布特性以及上升流的特性。

2.1 紊流區(qū)特性分析

圖7為金字塔型魚礁在不同流速下形成的紊流區(qū)范圍。此區(qū)域是流速為0及流速沿X軸負方向為主的區(qū)域?？梢钥闯?，隨著流速的增加，紊流區(qū)的范圍并沒有明顯變化，而隨著入口流速的增加，周圍流場的壓力數(shù)值變化范圍增加。從紊流區(qū)大小分布情況可以看出，隨著導(dǎo)流盤迎水面積的增加，導(dǎo)流盤后紊流區(qū)范圍變大，根據(jù)此特性可以按照不同需求調(diào)整導(dǎo)流盤角度。

2.2 上升流特性分析

圖8為金字塔型魚礁在不同流速下(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)的Z軸線0 m處截面Y方向上升流區(qū)域分布情況，在此處同樣取Y軸方向流速大于入口流速5%的區(qū)域為上升流區(qū)域，從圖中可以看出，在魚礁前方及后方均形成了明顯的上升流，在前部上升流區(qū)域大于后方上升流區(qū)域。通過魚礁定點Y方向軸線上的速度分布得到5種流速下上升流的高度均為6.13 m，即為魚礁高度的1.53倍。顯然，隨著魚礁迎水面積的減小及魚礁高度的增加，以及迎流面阻水作用的減小，金字塔型魚礁的上升流高度明顯小于方型人工魚礁和三棱柱型人工魚礁的上升流高度(無孔方型人工魚礁、多孔方型人工魚礁及三棱柱型人工魚礁的上升流高度與魚礁高度之比分別為2.63、2.68和2.88)，上升流速度最大的點出現(xiàn)于金字塔型魚礁的頂部區(qū)域。

2.3 渦流情況分析

圖9為金字塔型魚礁在不同流速下(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)下的三維渦量圖，由渦量分布可以看出隨著流速的增加，渦量的強度與范圍明顯增加。通過截取Z軸線-0.5 m處的XY截面來分析水平方向的渦量，由圖10看出，隨著流速的增加，水平方向渦量0.1的區(qū)域長度加長。渦量主要分布于導(dǎo)流盤后方區(qū)域；且越遠離導(dǎo)流盤的地方，渦量越弱。渦量的豎直高度略高于魚礁高度，背渦區(qū)長度與隨著流速的增加而增加。

圖7 不同入口流速下紊流區(qū)范圍

圖8 不同入口流速下上升流分布

圖9 不同入口流速下三維渦量分布

圖10 不同入口流速下Z軸-0.5 m處截面渦量分布

3 結(jié)論

采用計算流體軟件Fluent對不同來流速度(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)下的組合式金字塔型人工魚礁周圍的三維流場進行研究，給出了金字塔型魚礁附近紊流區(qū)、上升流、渦量的結(jié)構(gòu)特點，經(jīng)過分析得出如下結(jié)論： 1)渦量主要分布于導(dǎo)流盤后方區(qū)域，且越遠離導(dǎo)流盤的地方渦量越弱；2)不同來流速度下，上升流的最大高度約為魚礁高度的1.53倍，魚礁渦量區(qū)的高度約為魚礁的高度，背渦區(qū)的長度隨著水流速度的增加而增加；3)不同流速下，紊流區(qū)的范圍與大小基本不變。通過與其他類型的人工魚礁流場與數(shù)值參數(shù)對比，如與多孔方型人工魚礁和三棱柱型人工魚礁在流場效應(yīng)上相比，金字塔型人工魚礁上升流高度明顯小于前兩種魚礁。組合式金字塔型人工魚礁在流場環(huán)境中會產(chǎn)生較強的上升流及較復(fù)雜的紊流，紊流區(qū)的范圍比較穩(wěn)定，為喜歡流速緩慢區(qū)域的魚類提供了適宜的生存空間，同時，組合式金字塔型人工魚礁空方比較大，能為魚類提供更好的庇護作用。

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