基于流場(chǎng)仿真的導(dǎo)流型魚(yú)礁體組合優(yōu)化研究

毛海英,胡 聰,于定勇,王開(kāi)睿

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545001；2.山西省第六地質(zhì)工程勘察院有限公司，山西 運(yùn)城 044000;3.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

人工魚(yú)礁是人為在海底設(shè)置的有效構(gòu)筑物，為魚(yú)蝦等海洋生物營(yíng)造良好的棲息環(huán)境，以達(dá)到漁業(yè)資源保護(hù)和增殖的目的.我國(guó)人工魚(yú)礁自20世紀(jì)70年代開(kāi)始試驗(yàn)，目前，遼寧、天津、河北、山東、香港和臺(tái)灣等沿海地區(qū)，都已啟動(dòng)人工魚(yú)礁的規(guī)劃和建設(shè).

人工魚(yú)礁可凈化海水水質(zhì)環(huán)境，改變海水水流方向，形成上升流，有利于魚(yú)類(lèi)攝食、滯留和聚集，其中流場(chǎng)效應(yīng)對(duì)提高魚(yú)類(lèi)攝食十分重要.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于人工魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)研究主要有模型實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)數(shù)值計(jì)算.模型實(shí)驗(yàn)是人工魚(yú)礁水動(dòng)力學(xué)研究的重要方法，可根據(jù)實(shí)際情況縮小比例尺測(cè)得各個(gè)工況下的模型參數(shù)，實(shí)驗(yàn)條件良好，過(guò)程直觀.隨著數(shù)值數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的結(jié)合，CFD得到迅速發(fā)展，已經(jīng)逐漸應(yīng)用到了人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)分析中.Sanchez-Jerez等[1]和Christopher等[2]通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)研究了地中海及新加坡海域人工魚(yú)礁體的集魚(yú)作用.Fujihara等[3]通過(guò)數(shù)值計(jì)算物理-生物耦合模型研究了礁體前方的上升流的變化.借助粒子圖像測(cè)速PIV試驗(yàn)[4-6]，通過(guò)改變不同水流速度和人工魚(yú)礁體迎流角度，研究了人工魚(yú)礁體產(chǎn)生的上升流及背渦流的變化規(guī)律.不同學(xué)者基于CFD研究了立方體框架[7]、米字型[8]、圓臺(tái)型[9]、三棱體[10]、梯形臺(tái)[11]等人工魚(yú)礁體對(duì)水動(dòng)力特性的影響.礁體排列方式及布設(shè)間距的改變對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響不容忽視，不同形式人工魚(yú)礁體在不同排列下[12-14]流場(chǎng)效應(yīng)的差異較大.

本文基于CFD，以導(dǎo)流型魚(yú)礁體為研究對(duì)象，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可信度，開(kāi)展了不同縱橫布設(shè)間距下的魚(yú)礁體組合優(yōu)化研究，通過(guò)計(jì)算上升流最大高度、上升流水平跨度、上升流體積和阻力系數(shù)，分析其變化規(guī)律及產(chǎn)生原理，選取最優(yōu)的布設(shè)間距，形成最佳流場(chǎng)效應(yīng)，為人工魚(yú)礁體選型、設(shè)計(jì)和布設(shè)提供科學(xué)依據(jù).

1 物模實(shí)驗(yàn)

1.1 模型優(yōu)選及制作

首先進(jìn)行魚(yú)礁體優(yōu)選，選型涉及材料、形狀、結(jié)構(gòu)、投放及布局等問(wèn)題，參考人工魚(yú)礁體的優(yōu)化選型依據(jù)文獻(xiàn)[15]中的4個(gè)參數(shù)：礁體體積V(礁體外輪廓線包圍體的體積)、礁體表面積與礁體體積之比η(η=礁體表面積/礁體體積)、礁體空方體積與礁體體積之比ε(ε=礁體空方體積/礁體體積)和礁體覆蓋區(qū)面積A(礁體水體底部所占的水體面積).本文選取方型[16]、梯形[11]和導(dǎo)流方型魚(yú)礁體進(jìn)行對(duì)比(表1).方型和導(dǎo)流方型的礁體體積V比梯型要大，導(dǎo)流方型的η占優(yōu)，由于附著生物量增多，對(duì)增值類(lèi)魚(yú)礁最有利，梯型和導(dǎo)流方型的ε數(shù)值接近，ε的增大可產(chǎn)生較大的流態(tài)效應(yīng)，綜上，導(dǎo)流型魚(yú)礁體選型較優(yōu)于方型和梯型.

表1 不同型式人工魚(yú)礁比較

物模實(shí)驗(yàn)中模型比尺取λ=20，導(dǎo)流型人工魚(yú)礁體外表面尺寸為15 cm×15 cm×15 cm，開(kāi)口比(迎流面開(kāi)口沿水流垂直方向投影面積與迎流面面積的比值)φ為0.1，上下布設(shè)兩層導(dǎo)流葉板，導(dǎo)流型葉板厚為1 cm，與豎直方向夾角為45°.生產(chǎn)性魚(yú)礁采用混凝土材料，其中混凝土糙率n實(shí)=0.014，根據(jù)水力相似準(zhǔn)則，λ=20時(shí)，n模=n實(shí)/λ1/6=0.008 5，有機(jī)玻璃較光滑，糙率取值范圍為0.007 5～0.008 5，滿足試驗(yàn)要求，導(dǎo)流型人工魚(yú)礁體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 魚(yú)礁體結(jié)構(gòu)尺寸(單位：cm)Fig.1 The structure size of artificial reef (unit：cm)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

流速測(cè)量采用Vectrino小威龍點(diǎn)式流速儀，采樣體積最小0.085 ml，采樣輸出頻率最高200 Hz，流速范圍0～4 m/s，測(cè)量點(diǎn)距離中央發(fā)射點(diǎn)5 cm，精度為±0.5%，可準(zhǔn)確測(cè)量礁體前后不同距離的流速.礁體阻力測(cè)量采用六分力儀傳感器，六分力儀傳感器一側(cè)與魚(yú)礁固定，另一側(cè)與水槽上部連接固定，其量程0～50 kg，精度為±0.3%，可準(zhǔn)確測(cè)量礁體的阻力.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

利用螺母將模型固定在直徑為10 mm的螺桿上并垂直懸掛在水中，模型底面與水槽底面相接近但不接觸，水槽底面作為模擬海底，假設(shè)礁體模型底部不受縫隙水流的作用.礁體表面距離水槽自由液面較遠(yuǎn)時(shí)，不考慮自由液面的影響，螺桿另一端與六分力儀相連接.用聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)測(cè)量距離礁體模型迎流面前方0.6 m處的流速，待其流速穩(wěn)定后移動(dòng)流速儀測(cè)量礁體周?chē)鷾y(cè)點(diǎn)的流速，每個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)3次，每次記錄歷時(shí)10 s的流速數(shù)據(jù)，然后取其平均值作為該測(cè)點(diǎn)的流速測(cè)量值，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示.

圖2 模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of model test device

根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，模型比尺λ=20，得到礁體模型迎流面前方0.6 m處流速應(yīng)為0.179 m/s.首先保證礁體前0.6 m處的流速穩(wěn)定在0.179 m/s，然后測(cè)量A1B1(流速測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo))、A2B1、A3B1、A4B1、A5B1、A6B1點(diǎn)的流速，其中S為縱向布設(shè)間距.縱向布設(shè)間距1.0和2.0倍礁體長(zhǎng)度下測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3.

圖3 不同雙礁縱向布設(shè)間距下測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.3 The sketch of measurement points position of double reefs with different spaces

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

假定導(dǎo)流型魚(yú)礁體周?chē)牧黧w特性為黏性不可壓縮流體，溫度恒定，可忽略能量方程.

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

fi，

(2)

2.2 湍流模型

導(dǎo)流型魚(yú)礁體周?chē)骶€變化幅度較大，且存在高應(yīng)變率流動(dòng)，故采用RNG(Renormalization group model)κ-ε湍流模型，該模型可較好模擬近壁區(qū)內(nèi)Re數(shù)較低的流動(dòng).

湍動(dòng)能κ方程：

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

2.3 魚(yú)礁結(jié)構(gòu)及模擬計(jì)算區(qū)域

本文研究的導(dǎo)流型人工魚(yú)礁體外表面尺寸為3.0 m×3.0 m×3.0 m，開(kāi)口比φ為0.1，上下布設(shè)兩層導(dǎo)流葉板，導(dǎo)流葉板厚為0.2 m，其與豎直方向夾角為45°.導(dǎo)流型魚(yú)礁體橫向布設(shè)間距分別為0.5L、1.0L、1.5L和2.0L，縱向布設(shè)間距分別為0.5L、1.0L、2.0L、3.0L、4.0L和5.0L.來(lái)流速度選取0.8 m/s，模型的計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖4.

圖4 雙礁縱向布設(shè)間距3.0L流場(chǎng)計(jì)算域(單位：m)Fig.4 Calculation range of flow while double reefs with 3.0L vertical direction (unit:m)

2.4 模型可靠性驗(yàn)證

為消除不同網(wǎng)格大小引起的結(jié)果差異，以縱向間距3.0 m為例，網(wǎng)格尺寸分別設(shè)置為0.9，0.7，0.5，0.3 和0.2 m，以前方礁體阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定為驗(yàn)證依據(jù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示.當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.3 m時(shí)，網(wǎng)格單元數(shù)為33.84×105個(gè)，前方礁體阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定值1.293，綜合考慮計(jì)算效率，選取網(wǎng)格計(jì)算尺寸為0.3 m，其收斂性符合要求.

表2 不同網(wǎng)格尺寸驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的可靠性，按照物理模型試驗(yàn)條件進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.由于橫縱向布設(shè)的實(shí)驗(yàn)條件、數(shù)值RNGκ-ε湍流模型均相同，本文僅進(jìn)行縱向間距1.0L和2.0L雙礁體測(cè)點(diǎn)流速、前方礁體阻力系數(shù)與物理模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果如圖5和表3所示.

表3 前礁體阻力系數(shù)Cd的數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較

圖5 不同間距測(cè)點(diǎn)流速計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.5 Comparison between calculated and experimental values of flow velocity at measuring points with different spaces

礁體縱向間距為1.0L時(shí)，前方測(cè)點(diǎn)受到水流擾動(dòng)較小，A1B1、A2B1、A3B1處流速模擬值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差較小，A4B1處測(cè)點(diǎn)距離后礁體位置較近，受到后礁體與實(shí)驗(yàn)螺桿的擾動(dòng)作用較大，測(cè)量讀數(shù)時(shí)流速變化范圍較大，測(cè)量誤差為6.5%，隨著距離的增加，A5B1、A6B1處流速模擬值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差較小.礁體縱向間距為2.0L時(shí)，各點(diǎn)流速相對(duì)誤差較小，模擬值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好.

前礁體阻力系數(shù)數(shù)值模擬值與物模實(shí)驗(yàn)值的比較見(jiàn)表3，礁體縱向間距為1.0L時(shí)，數(shù)值模擬值與物模實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差為3.64%，由于前礁體與后礁體距離較近，擾流現(xiàn)象較為明顯，加上水槽造流電機(jī)的振動(dòng)及實(shí)驗(yàn)螺桿的阻力作用，物模實(shí)驗(yàn)值比數(shù)值模擬值大.當(dāng)礁體間距增大到2.0L時(shí)，后礁體擾流現(xiàn)象有所減輕，物模實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬值接近，相對(duì)誤差較小，數(shù)值模擬值與物模實(shí)驗(yàn)值吻合較好.基于上述驗(yàn)證的數(shù)值計(jì)算模型，針對(duì)導(dǎo)流型人工魚(yú)礁體不同縱橫布設(shè)間距組合下水動(dòng)力特性進(jìn)行了更深入的研究.

3 水動(dòng)力特性研究

3.1 流場(chǎng)形態(tài)

流場(chǎng)特性評(píng)估選取上升流(垂向速度與來(lái)流速度比大于或等于5%)特征參數(shù)，本文采用的特征參數(shù)包括上升流高度、上升流水平跨度和上升流體積.

圖6給出了不同橫向布設(shè)間距雙礁體組合下斷面速度云圖，左右礁體流速特性對(duì)稱分布，礁體前方存在一定的緩流區(qū)，流速范圍0.7～0.8 m/s，左右礁體中間急流區(qū)面積與橫向布設(shè)間距成正比，當(dāng)橫向間距大于1.5L時(shí)，急流區(qū)趨于穩(wěn)定.表4給出了不同橫向間距上升流特性參數(shù)，上升流最大高度、豎向最大速度和阻力系數(shù)均與橫向布設(shè)間距成反比，0.5L時(shí)，上升流最大高度達(dá)到礁體高度的2.77倍，1.0L時(shí)，上升流體積最大，達(dá)到627.73 m3.

表4 不同橫向間距上升流特性參數(shù)

圖7給出了不同縱向布設(shè)間距雙礁體組合下斷面速度云圖，當(dāng)縱向間距為0.5L～2.0L時(shí)，前方礁體與后方礁體距離較近，前礁體遮流效應(yīng)明顯，雙礁體之間區(qū)域流速大部分小于0.2 m/s，雙礁體頂部影響區(qū)域較大且流速大于0.85 m/s；當(dāng)縱向間距為3.0L～4.0L時(shí)，隨著礁體距離增大，前礁體對(duì)后礁體影響變小，4.0L～5.0L時(shí)，前礁體遮流效應(yīng)減弱并消失，4.0L時(shí)達(dá)到臨界值，后礁體上方上升流影響范圍逐漸增大且趨于穩(wěn)定.表5給出了導(dǎo)流方型和方型不同縱向間距上升流特性參數(shù)，導(dǎo)流方型魚(yú)礁體的上升流最大高度比和上升流水平跨度比明顯優(yōu)于方型魚(yú)礁體，縱向布設(shè)下上升流最大高度變化較?。簧仙魉娇缍扰c布設(shè)間距成正比，大于4.0L時(shí)，趨于平緩；縱向間距為0.5L～2.0L時(shí)，上升流體積增速緩慢，2.0L～4.0L時(shí)，上升流體積迅速增大，4.0L～5.0L時(shí)，上升流體積趨于平緩，綜合上述組合優(yōu)化研究，當(dāng)縱向間距為4.0L時(shí)，流場(chǎng)效應(yīng)較好.

表5 不同縱向間距上升流特性參數(shù)

Z表示垂直于XY面方向上的距離.

3.2 阻力系數(shù)

(5)

圖8 雙礁體的kH隨S的變化Fig.8 Variation of kH with S of double reefs

縱向排列時(shí)，前礁體與后礁體的阻力系數(shù)差異較大，前、后礁體的阻力系數(shù)與縱向間距成正比，前礁體的阻力系數(shù)增幅較緩，2.0L時(shí)，后礁體的阻力系數(shù)隨縱向間距的增大迅速增大，5.0L時(shí)，后礁體阻力系數(shù)已達(dá)到1.023，接近單礁體的阻力系數(shù)1.362，當(dāng)雙礁體間距大于4.0L時(shí)，后礁體受前礁體遮流效應(yīng)逐漸減弱(圖9).

圖9 雙礁體的Cd隨S的變化Fig.9 Variation of Cd with S of double reefs

4 結(jié) 論

本文參考人工魚(yú)礁體的優(yōu)化選型依據(jù)，選取方型、梯形和導(dǎo)流方型魚(yú)礁體進(jìn)行優(yōu)化選型，經(jīng)過(guò)不同型式V、η、ε和A的對(duì)比，導(dǎo)流型魚(yú)礁體選型較優(yōu)于方型和梯型.

數(shù)值計(jì)算并驗(yàn)證了物理模型實(shí)驗(yàn)中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速值及阻力值，數(shù)值模擬值與物模實(shí)驗(yàn)值吻合較好，說(shuō)明數(shù)模計(jì)算方法可行，結(jié)果可信.本文計(jì)算了不同橫向間距及縱向間距組合下的水動(dòng)力特性，布設(shè)間距不同時(shí)，水動(dòng)力特性差異較大，通過(guò)組合優(yōu)化研究得到如下結(jié)論：

1) 隨著橫向布設(shè)間距的增大，上升流最大高度和豎向最大速度減小，上升流體積先增大后減小，0.5L時(shí)，上升流最大高度達(dá)到最大，1.0L時(shí)，上升流體積達(dá)到最大；

2) 隨著橫向布設(shè)間距的增大，平均阻力系數(shù)和橫向阻力影響系數(shù)均逐漸減小，表明雙礁體阻力系數(shù)受橫向布設(shè)間距的影響逐漸減弱；

3) 隨著縱向布設(shè)間距的增大，上升流最大高度變化幅值較小，上升流水平跨度和上升流體積與布設(shè)間距成正比，大于4.0L時(shí)，趨于平緩；隨著縱向布設(shè)間距的增大，前礁體阻力系數(shù)緩慢增大，后礁體阻力系數(shù)迅速增大，當(dāng)間距為4.0L時(shí)，后方礁體阻力系數(shù)趨于平緩，表明后礁體受前礁體遮流效應(yīng)逐漸減弱.

根據(jù)以上不同縱橫布設(shè)間距組合優(yōu)化研究表明，當(dāng)橫向布設(shè)間距為0.5L～1.0L、縱向布設(shè)間距為4.0L時(shí)，導(dǎo)流型人工魚(yú)礁周?chē)牧鲌?chǎng)效應(yīng)較好.該研究結(jié)果可為礁區(qū)布局方案的確定提供參考.