趙云鵬，王曉鵬，董國(guó)海

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

波浪作用下三角型人工魚礁水動(dòng)力特性數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

趙云鵬，王曉鵬，董國(guó)海

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

人工魚礁在波浪作用下水動(dòng)力特性的研究對(duì)于人工魚礁的工程安全與設(shè)計(jì)具有非常重要的意義?；谟邢摅w積法，采用推板造波形式，通過利用VOF方法求解波面的方式建立了模擬人工魚礁與波浪相互作用的三維數(shù)值波浪水槽?；谠摂?shù)值模型研究了波浪作用下三角型鏤空人工魚礁的受力情況，并與物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示模擬得到的人工魚礁受力和波浪形態(tài)均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，擬合出波浪作用下人工魚礁的水動(dòng)力系數(shù)。單體三角型鏤空人工魚礁的速度力系數(shù)Cd隨著Kc數(shù)、Re數(shù)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；慣性力系數(shù)Cm則隨著Kc數(shù)、Re數(shù)的增加呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示在一個(gè)波浪周期內(nèi)，人工魚礁周圍產(chǎn)生了較強(qiáng)的上升流和回流，其內(nèi)部產(chǎn)生了明顯的渦旋結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果為人工魚礁的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

人工魚礁；三維數(shù)值波浪水槽；波浪力；水動(dòng)力系數(shù)

隨著全球范圍漁業(yè)資源的衰退和人們對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，近海漁業(yè)資源的修復(fù)和保護(hù)日益成為關(guān)注的焦點(diǎn)。在漁業(yè)資源的保護(hù)和增殖工作中，建設(shè)人工魚礁是許多國(guó)家用于改善海洋生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)重要措施[1]。在我國(guó)，人工魚礁的研究和建設(shè)已有近30年的歷史，對(duì)近海生態(tài)環(huán)境修復(fù)和漁業(yè)資源增殖發(fā)揮了很好的功效[2-4]。人工魚礁投放到海底后，將會(huì)受到波浪和水流的共同作用力，當(dāng)水平作用力大于礁體與海底間的最大靜摩擦力時(shí)，礁體將會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象；當(dāng)作用力對(duì)礁體產(chǎn)生的傾覆力矩大于由礁體自重產(chǎn)生的抗傾力矩時(shí)，礁體將會(huì)發(fā)生傾覆現(xiàn)象。人工魚礁的生態(tài)穩(wěn)定性在很大程度上依賴于其物理穩(wěn)定性，為延長(zhǎng)人工魚礁的生態(tài)穩(wěn)定性，保證人工魚礁工程能取得長(zhǎng)期效果，必須對(duì)礁體的整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，所以研究波浪作用下人工魚礁的水動(dòng)力特性是十分必要的。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)人工魚礁的研究主要集中于其生態(tài)效應(yīng)方面和水流作用下礁體周圍的流場(chǎng)分布情況。由于海洋的寬廣以及其波流的不穩(wěn)定性，人工魚礁海域的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查難度大、成本高，國(guó)內(nèi)學(xué)者普遍利用水槽或風(fēng)洞進(jìn)行礁體模型實(shí)驗(yàn)，如張碩等[5-6]在水槽中對(duì)不同高度混凝土長(zhǎng)方體模型礁的流場(chǎng)進(jìn)行了定量研究；劉洪生等[7]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)單體及組合人工魚礁上升流和背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度進(jìn)行了探討；劉彥等[8]采用PIV無(wú)干擾二維流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)對(duì)單體及雙體組合正方體魚礁周圍流場(chǎng)進(jìn)行了整體測(cè)試等。

總體上來說，對(duì)人工魚礁在波浪作用下的水動(dòng)力特性的研究還相對(duì)較少。本文基于有限體積法，采用CFD軟件FLUENT建立三維數(shù)值波浪水槽，對(duì)波浪作用下三角型鏤空人工魚礁的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，通過分析礁體受力并與物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性與可行性，這對(duì)研究礁體在波流作用下的整體穩(wěn)定性等具有積極的意義。

1 數(shù)值模型

1.1控制方程

本數(shù)值計(jì)算中，假定模型中的流體(水和空氣)為理想的不可壓縮流體，流體運(yùn)動(dòng)的控制方程采用黏性不可壓縮流體的Navier-Stokes方程：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：u、v、w分別為x、y、z方向速度分量；t為時(shí)間；ρ為流體密度值；p為壓強(qiáng)；fx、fy、fz為x、y、z方向的單位質(zhì)量力分量；υ為流體的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)；Sx、Sy、Sz為x、y、z反向的附加動(dòng)量源項(xiàng)。本文三維數(shù)值波浪水槽模型中消波區(qū)域均對(duì)附加動(dòng)量源項(xiàng)有定義，其他區(qū)域附加源項(xiàng)為零。

1.2數(shù)值方法

三維數(shù)值波浪水槽中氣液分界面的求解采用VOF方法，利用有限體積法對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)的差分選用較高精度的二階迎風(fēng)格式，時(shí)間項(xiàng)的差分選用二階隱式，壓力項(xiàng)的差分選用Body Forced Weighted格式，對(duì)于壓力—速度耦合方程的求解選用更適用于非穩(wěn)定狀態(tài)的PISO算法。

1.3數(shù)值波浪水槽建立

1.3.1 二階Stokes波模擬

Madsen等[9]較早采用攝動(dòng)展開法求解了推板正弦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的波面，結(jié)果為如下形式：

式中：a為波幅，k為波數(shù)，ω為波浪圓頻率，t為時(shí)間，h0為水深。其中式(5)中第一項(xiàng)為一階波面分量，第二項(xiàng)代表二階波面部分，而第三項(xiàng)為推板正弦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的二階諧波。若推板按照正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)，二階諧波將對(duì)水槽中波浪傳播產(chǎn)生擾動(dòng)，所以諧波項(xiàng)是需要消除的高階分量。

為消除數(shù)值波浪水槽中的諧波，正弦運(yùn)動(dòng)的推板需要附加二階運(yùn)動(dòng)項(xiàng)ξ(2)，推板運(yùn)動(dòng)形式為：

ξ=ξ(1)+ξ(2)

由此產(chǎn)生的波面為

Stokes波的適用范圍根據(jù)Ursell數(shù)來衡量

式中：L為波長(zhǎng)。

1.3.2 數(shù)值水槽的邊界條件與網(wǎng)格劃分

數(shù)值波浪水槽設(shè)置如圖1所示，將水槽的左端設(shè)置為動(dòng)邊界，利用動(dòng)網(wǎng)格方法計(jì)算每個(gè)時(shí)刻推板的位置來模擬造波機(jī)的造波情況，右端為消波區(qū)域，消波區(qū)長(zhǎng)度l為3L，中間段為計(jì)算區(qū)域，長(zhǎng)度大約為10L。數(shù)值波浪水槽計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，水槽長(zhǎng)度方向網(wǎng)格步長(zhǎng)取Δx≈L/50，寬度方向網(wǎng)格步長(zhǎng)取Δx=Δz，高度方向網(wǎng)格步長(zhǎng)取Δy=Δx/2，對(duì)靜水面附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密且步長(zhǎng)小于Δy=H/10，時(shí)間步長(zhǎng)取Δt=T/1 000，其中L為波長(zhǎng)，H為波高，T為波浪周期。

圖1 三維數(shù)值波浪水槽設(shè)置Fig. 1 Settings of 3D numerical wave flume

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分示意Fig. 2 Mesh of the 3D numerical model

1.3.3 消波理論

常用的數(shù)值波浪水槽的消波方法有多孔介質(zhì)消波法、質(zhì)量源項(xiàng)消波法和動(dòng)量源項(xiàng)消波法等。采用動(dòng)量源項(xiàng)消波的方法，即設(shè)置阻尼消波區(qū)，在該區(qū)域的動(dòng)量方程中附加源項(xiàng)Sx=-μ(x)u，Sy=-μ(x)v和Sz=-μ(x)w，其中μ(x)為消波系數(shù)，是在阻尼起點(diǎn)為零的單調(diào)遞增函數(shù)，可以取線性遞增以及指數(shù)遞增等形式[10]，這里取源項(xiàng)方程如下形式：

式中：u與v為x方向與y方向的速度分量，l為消波區(qū)域的長(zhǎng)度，x0與x'分別為消波區(qū)域起始位置的x方向的坐標(biāo)和附加源項(xiàng)處的x方向的坐標(biāo)。

1.3.4 數(shù)值波浪水槽模擬與驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文建立的三維數(shù)值波浪水槽造波效果的有效性，取算例進(jìn)行驗(yàn)證，波況參數(shù)見表1所示。

表1 水槽驗(yàn)證波況參數(shù)Tab. 1 Wave parameters of flume

當(dāng)推板以式(11)的方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，距推板2倍波長(zhǎng)位置的波面歷時(shí)曲線如圖3(a)、3(b)所示，距推板28 m(消波區(qū))處的波面歷時(shí)曲線如圖3(c)、3(d)所示。

圖3 波面歷時(shí)模擬值與理論值比較Fig. 3 Comparison of numerical and theoretical wave forms

由圖3(a)、3(b)結(jié)果可見，數(shù)值模擬的波面歷時(shí)曲線與理論值擬合良好，這說明采用推板造波方式建立的三維數(shù)值波浪水槽是有效可行的。當(dāng)Ur值較大時(shí)，圖3(b)中顯示的波形曲線為規(guī)則的Stokes波形，未見二次諧波的產(chǎn)生，這證明推板以式(11)的方式運(yùn)動(dòng)可以有效消去數(shù)值波浪水槽中的諧波。由圖3(c)、3(d)結(jié)果可見，消波區(qū)的波面較平靜，說明動(dòng)量源項(xiàng)法的消波效果良好。

2 波浪對(duì)人工魚礁作用的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬驗(yàn)證

2.1物理模型實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)在溢油水槽中進(jìn)行，水槽尺寸為22 m×0.8 m×0.8 m(長(zhǎng)×寬×深)，實(shí)驗(yàn)水深(h)為0.5 m。如圖4所示，該水槽左端為造波系統(tǒng)裝置，并配有計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其它實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括浪高儀、測(cè)力傳感器、計(jì)算機(jī)和一些實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備。實(shí)驗(yàn)時(shí)，浪高儀布置在魚礁模型前部足夠遠(yuǎn)處，以保證對(duì)魚礁的流場(chǎng)不產(chǎn)生影響，通過計(jì)算機(jī)采集實(shí)際波浪要素。人工魚礁通過有機(jī)玻璃桿與固定在水槽上方的測(cè)力傳感器連接，并與水槽底面留有1.0 cm的空隙，防止魚礁與底面摩擦影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。使用線纜將受力傳感器與計(jì)算機(jī)連接，用于采集魚礁及桿件的受力，并儲(chǔ)存與計(jì)算機(jī)中。

根據(jù)重力相似準(zhǔn)側(cè)將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸哌x定為1∶30，人工魚礁原型尺寸如圖5所示，根據(jù)模型比尺以有機(jī)玻璃為材料制成人工魚礁實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

實(shí)驗(yàn)中人工魚礁模型放置在水槽底部正中央，正面迎波，擺放形式如圖6所示。

圖4 波浪阻力實(shí)驗(yàn)布置側(cè)面圖Fig. 4 Schematic diagram of wave resistance test

圖6 人工魚礁模型擺放形式Fig. 6 Layout of artificial reef

圖5 人工魚礁原型尺寸示意Fig. 5 Size diagram of artificial reef

實(shí)驗(yàn)采用的6種波浪要素組合(均為有限水深波)如表2所示，三角型人工魚礁在不同波浪要素下的最大受力值在表3中給出。

表2 六種波浪組合Tab. 2 Six kinds of wave height and wave period

表3 六種波浪組合人工魚礁模型最大受力Tab. 3 Maximum force of combined artificial reef in six kinds of wave parameter

人工魚礁模型受到的波浪力與波面高度一樣具有一定的周期性，在進(jìn)行波浪力實(shí)驗(yàn)時(shí)每隔0.02 s進(jìn)行一次受力采集，采集點(diǎn)個(gè)數(shù)為1 024個(gè)，每種波浪要素下重復(fù)采集3次。在進(jìn)行受力計(jì)算時(shí)取所采集規(guī)則周期內(nèi)所對(duì)應(yīng)的受力最大值為受力結(jié)果。

2.2數(shù)值模擬計(jì)算

為了與人工魚礁受力實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，利用第1節(jié)驗(yàn)證的數(shù)值水槽構(gòu)建數(shù)值模型，將數(shù)值水槽模型尺寸設(shè)置為30.0 m×0.5 m×0.7 m(長(zhǎng)×寬×高)，水深0.5 m。人工魚礁被布置在距離造波端7 m處。

數(shù)值模擬時(shí)，取不同劃分精度的網(wǎng)格對(duì)水槽模型進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格尺度達(dá)到一定精度后繼續(xù)增加，計(jì)算結(jié)果的精度不再改變，而計(jì)算時(shí)間卻大大增加，在確保計(jì)算結(jié)果精度和提高計(jì)算效率的前提下，采用的水槽網(wǎng)格尺度為x方向0.06 m，y方向0.03 m(波面附近0.015 m)，z方向0.06 m，魚礁模型網(wǎng)格尺度為0.01 m。圖7為三維數(shù)值波浪水槽主要部分網(wǎng)格分布圖。人工魚礁的構(gòu)造比較復(fù)雜，因此在劃分整體網(wǎng)格時(shí)須分區(qū)進(jìn)行劃分。人工魚礁附近的網(wǎng)格采用四面體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，水槽其它區(qū)域均采用六面體的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。人工魚礁對(duì)周圍流場(chǎng)的影響主要集中在附近區(qū)域，為了更加精確的獲得魚礁周圍的流場(chǎng)分布和受力大小，同時(shí)減小數(shù)值計(jì)算的工作量，只對(duì)魚礁附近的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，其它部分則選用較為稀疏的網(wǎng)格。在自由水面附近，為了能夠清晰的捕獲波面運(yùn)動(dòng)軌跡，提高自由面的模擬精度，對(duì)自由水面附近的網(wǎng)格也進(jìn)行了加密。網(wǎng)格的最小體積為7.97×10-9m3，最大體積為1.26×10-4m3，共有134 359個(gè)單元格。

采用第1節(jié)驗(yàn)證的數(shù)值造波方法對(duì)物理模型實(shí)驗(yàn)的6種波況組合進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬了三角型單體魚礁在波浪作用下的受力情況，采集大于1個(gè)周期的人工魚礁迎流面的受力數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)后得到6種波況下人工魚礁受力的最大值如表4所示。

圖7 三維數(shù)值波浪水槽主要部分網(wǎng)格分布圖Fig. 7 Computational grids of the three-dimensional wave flume

波況B1B2B3B4B5B6單體魚礁/N0．32140．47680．60140．46710．71701．0464

2.3物理模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算受力結(jié)果對(duì)比分析

圖8 單體人工魚礁最大波浪力模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig. 8 Comparison of the numerical and experimental results of the maximum wave force of a single artificial reef

由圖8給出的在6種不同波浪要素條件下單體三角型人工魚礁所受最大波浪力的對(duì)比結(jié)果來看，物理模型實(shí)驗(yàn)所得最大波浪力值均略大于數(shù)值模擬結(jié)果，數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差為13%～20%。物理模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，人工魚礁模型與水槽底面留有1.0 cm的空隙，防止魚礁與底面摩擦，而在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，為了有利于網(wǎng)格的劃分計(jì)算，人工魚礁模型是布置在水槽底部的，這導(dǎo)致了數(shù)值模擬結(jié)果略小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)值模擬與物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果所反映的魚礁所受最大波浪力大小隨波浪參數(shù)變化的規(guī)律基本吻合。

波況B1、B2和B3(B4、B5和B6)具有相同的波高，周期依次增大，由圖8可看出人工魚礁所受的最大波浪力也依次增大；波況B1和B4(B2和B5、B3和B6)具有相同的周期，波高依次增大，由圖8可看出人工魚礁所受的最大波浪力也依次增大。由此可得三角型人工魚礁在有限水深波作用下所受的波浪力最大值隨著波高和周期的增大而增加。

3 結(jié)果分析與討論

3.1單體三角型人工魚礁的水動(dòng)力系數(shù)分析

文中研究的三角型人工魚礁尺度較小，可類比于小尺度的桿件結(jié)構(gòu)物。對(duì)于小尺度的桿件結(jié)構(gòu)物，一般采用Morison方程計(jì)算其波浪力[11]，而確定其中的速度力系數(shù)Cd和慣性力系數(shù)Cm是問題的關(guān)鍵所在。采用Morison方程計(jì)算：

式中：Cd為速度力系數(shù)；Cm為慣性力系數(shù)；ρ為海水密度，一般取1 025 kg/m3；A為礁體迎流面豎直投影面積(m2)；V為礁體實(shí)體體積(包括空心部分)(m3)；u為取魚礁頂部的波浪速度。

對(duì)數(shù)值模擬得到的單體三角型人工魚礁受力數(shù)據(jù)采用四點(diǎn)擬合法對(duì)式(17)中的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行分析。四點(diǎn)擬合法是指選取波浪波峰點(diǎn)、波谷點(diǎn)、上跨零點(diǎn)和下跨零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。波浪處于波峰點(diǎn)和波谷點(diǎn)時(shí)，水平加速度為零，式中的慣性力為零，可直接算出速度力系數(shù)Cd；波浪處于上跨零點(diǎn)和下跨零點(diǎn)時(shí)，水平速度為零，式中的速度力為零，可直接計(jì)算出慣性力系數(shù)Cm。波浪要素計(jì)算時(shí)采用線性波理論，對(duì)每種波況逐一分析，擬合分析后，將得到的速度力系數(shù)Cd和慣性力系數(shù)Cm按波況進(jìn)行平均，得到的結(jié)果如表5所示。

表5 數(shù)值模擬計(jì)算擬合的水動(dòng)力系數(shù)Tab. 5 Numerical hydrodynamic coefficients

波高和周期是波浪的兩個(gè)基本要素，一般在研究波浪條件下水動(dòng)力系數(shù)規(guī)律時(shí)，常取Kc數(shù)和雷諾數(shù)Re作為波浪設(shè)計(jì)要素。文中三角型人工魚礁模型并非圓柱，Kc數(shù)和雷諾數(shù)Re計(jì)算式中的D取魚礁迎流面寬度的加權(quán)平均值。

Kc數(shù)是描述波浪周期的重要參數(shù)，具有以下形式：

雷諾數(shù)Re體現(xiàn)了波高、周期和構(gòu)件直徑的綜合因素，具有以下形式：

由圖9和圖10所示的結(jié)果可得，在模擬波況下，單體三角型人工魚礁的速度力系數(shù)Cd隨著Kc數(shù)、雷諾數(shù)Re的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；慣性力系數(shù)Cm則隨著Kc數(shù)、雷諾數(shù)Re的增加呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)；在2.0上下波動(dòng)趨于平穩(wěn)。

圖9 水動(dòng)力系數(shù)隨Kc數(shù)的變化Fig. 9 Variation of hydrodynamic coefficientsalong with the change of Kc number

圖10 水動(dòng)力系數(shù)隨Re數(shù)的變化Fig. 10 Variation of hydrodynamic coefficientsalong with the change of Re number

將擬合出的速度力系數(shù)Cd以及根據(jù)魚礁所受最大波浪力時(shí)的波浪要素值計(jì)算得到u代入式(17)求出速度力Fd，并求出其占所受最大波浪力的比例，結(jié)果如表6所示。

由表6中的結(jié)果可看出，單體三角型人工魚礁所受的最大波浪力中，速度力所占比例較小，對(duì)最大波浪力產(chǎn)生較大影響的應(yīng)該是人工魚礁所受的慣性力。

3.2單體三角型人工魚礁波浪流場(chǎng)數(shù)值結(jié)果分析

在數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果中取B2波況的計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)該波況下單體三角型人工魚礁周圍的波浪流場(chǎng)進(jìn)行分析，人工魚礁模型位于距造波板7 m處。

圖11所示為一個(gè)周期內(nèi)人工魚礁周圍流場(chǎng)速度矢量圖；圖12為對(duì)應(yīng)周期內(nèi)人工魚礁局部放大的流場(chǎng)流線圖。結(jié)合圖11和圖12可以看出，人工魚礁距離波面較遠(yuǎn)，其附近的流場(chǎng)中水質(zhì)點(diǎn)的速度很小，在一個(gè)周期內(nèi)，人工魚礁的迎流區(qū)和背流區(qū)會(huì)分別出現(xiàn)正、負(fù)速度矢量以及正負(fù)共存的速度矢量。人工魚礁周圍流場(chǎng)速度矢量正負(fù)交替周期性變化引起了其所受波浪力的正負(fù)變化，規(guī)律相一致。透空人工魚礁內(nèi)部流場(chǎng)紊亂，流場(chǎng)隨著波浪周期性變化，一個(gè)周期內(nèi)，魚礁周圍產(chǎn)生了較強(qiáng)的上升流和回流，其內(nèi)部和背流區(qū)域產(chǎn)生了渦旋結(jié)構(gòu)，這種流場(chǎng)效應(yīng)對(duì)人工魚礁的生態(tài)效應(yīng)具有積極貢獻(xiàn)。

圖11 人工魚礁區(qū)域速度矢量圖(B2：T=1.2 s)Fig. 11 The velocity vector diagram around the artificial reef

圖12 人工魚礁區(qū)域流場(chǎng)流線圖(B2：T=1.2 s)Fig. 12 The streamline diagram around the artificial reef

4 結(jié) 語(yǔ)

利用流體計(jì)算軟件FLUENT，基于有限體積法，采用推板造波形式，通過利用VOF方法求解波面的方式建立了模擬人工魚礁與波浪相互作用的三維數(shù)值波浪水槽，研究了三角型人工魚礁在波浪條件下的受力特性，并通過物理模型實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

1)在有限水深波的作用下，三角型人工魚礁模型受到的波浪力與波面高度一樣具有一定的周期性。在不同波況作用下，人工魚礁所受的波浪力最大值隨著波高和周期的增大而增加，所受最大波浪力中占主導(dǎo)作用的是慣性力。

2)在有限水深波的作用下，單體三角型人工魚礁的速度力系數(shù)Cd隨著Kc數(shù)、Re數(shù)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，慣性力系數(shù)Cm則隨著Kc數(shù)、Re數(shù)的增加呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，在2.0上下波動(dòng)趨于平穩(wěn)。

3)在一個(gè)波浪周期內(nèi)，人工魚礁的迎流區(qū)和背流區(qū)會(huì)分別出現(xiàn)正、負(fù)速度矢量以及正負(fù)共存的速度矢量。與水流作用下的情況相似，魚礁周圍同樣產(chǎn)生了較強(qiáng)的上升流和回流，其內(nèi)部和背流區(qū)域產(chǎn)生了明顯的渦旋結(jié)構(gòu)。

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Numerical simulation and experimental validation of hydrodynamic characteristics of submerged artificial reef in waves

ZHAO Yunpeng, WANG Xiaopeng, DONG Guohai

(State Key Lab of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

The investigation of hydrodynamic characteristics of submerged artificial reef in waves is very important for the engineering safety and design of the artificial reef. Based on the finite volume method, adopting the movement border as a wave generator, a 3D numerical wave tank was established by the volume of fluid (VOF) method which was used to simulate the interaction between artificial reef and waves. Based on this numerical model, the force of the hollow triangular artificial reef under the action of waves was investigated. By comparing the numerical results with the physical model experiment results, the accuracy of the simulation of waves and forces was verified. According to the simulation results, the hydrodynamic coefficients of the artificial reef in waves were fitted out. The velocity force coefficient (Cd) of a single hollow triangular artificial reef shows a decreasing trend with the Keulegan-Carpenter number and Reynolds number increasing, and the inertia force coefficient (Cm) shows a trend of fluctuation. The simulation results also show that a strong upward flow and reflow appear around the artificial reef, and vortices appear in the internal structure. The investigation results provide a theoretical basis for the design and optimization of artificial reefs.

artificial reef; 3D numerical wave tank; wave force; hydrodynamic coefficients

TV139.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.007

1005-9865(2015)06-052-10

2015-02-13

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51239002)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體(51221961)

趙云鵬(1980-)，男，遼寧鞍山人，博士，副教授，主要從事波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用研究工作。E-mail：Ypzhao@dlut.edu.cn