關(guān)長(zhǎng)濤， 李夢(mèng)杰， 鄭延璇， 李　嬌， 崔　勇， 李真真， 王騰騰

(1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306； 2. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島市海水魚(yú)類種子工程與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071； 3. 乳山市海洋與漁業(yè)局， 山東 威海 264500)

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三圓管型人工魚(yú)礁布設(shè)間距的數(shù)值模擬及物理穩(wěn)定性研究*

關(guān)長(zhǎng)濤1,2， 李夢(mèng)杰1,2， 鄭延璇3， 李嬌2， 崔勇2， 李真真1,2， 王騰騰1,2

(1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306； 2. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島市海水魚(yú)類種子工程與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071； 3. 乳山市海洋與漁業(yè)局， 山東 威海 264500)

本文采用RNG K-ε湍流模型和SIMPLEC數(shù)值模擬方法，分析了不同雷諾數(shù)條件下，布設(shè)間距和擺放方式對(duì)三圓管型人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響。研究顯示：采用FLUENT軟件模擬，雷諾數(shù)能較好地反應(yīng)人工魚(yú)礁上升流和背渦流的分布情況，上升流的規(guī)模和強(qiáng)度隨雷諾數(shù)的增大而增加，背渦流隨雷諾數(shù)變化的趨勢(shì)不明顯。三圓管型人工魚(yú)礁橫向組合方式下，2個(gè)單位礁布設(shè)間距等于礁體尺寸時(shí)，獲得的上升流和背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度最大；縱向組合方式下，2個(gè)單位礁布設(shè)間距為礁體尺寸的1.5～2.0倍時(shí)，獲得的上升流和背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度最大。在不同實(shí)驗(yàn)流速和波況下三圓管型人工魚(yú)礁的抗滑移系數(shù)、抗翻滾系數(shù)均大于1。研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬能夠較好地反應(yīng)布設(shè)間距對(duì)礁體周圍流場(chǎng)效應(yīng)的影響，可為人工魚(yú)礁的實(shí)際投放提供理論參考。

人工魚(yú)礁； 流場(chǎng)效應(yīng)； 布設(shè)間距； 數(shù)值模擬 ； 物理穩(wěn)定性

引用格式：關(guān)長(zhǎng)濤， 李夢(mèng)杰， 鄭延璇， 等. 三圓管型人工魚(yú)礁布設(shè)間距的數(shù)值模擬及物理穩(wěn)定性研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(9)： 9-17.

GUAN Chang-Tao, LI Meng-Jie, ZHENG Yan-Xuan, et al. Numerical simulation of disposal space and analysis on physical stability of three-tube artificial reefs [J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(9)： 9-17.

人工魚(yú)礁是在經(jīng)過(guò)科學(xué)選點(diǎn)的特定海域中設(shè)置的構(gòu)造物，可為水生生物的聚集、索餌、繁殖、生長(zhǎng)和避敵提供必要的棲息場(chǎng)所，從而達(dá)到改善海域生態(tài)環(huán)境、保護(hù)和增殖漁業(yè)資源和提高漁獲量的目的[1]。人工魚(yú)礁投放于海底后產(chǎn)生生態(tài)效應(yīng)是通過(guò)流場(chǎng)效應(yīng)、餌料效應(yīng)和避敵效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。王宏等[2]研究指出，人工魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)影響著海域的營(yíng)養(yǎng)鹽和初級(jí)生產(chǎn)力水平，顯著影響魚(yú)礁的生物誘集和增殖功能。

目前，人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的主要研究方法為水槽試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)，也有部分使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)。虞聰達(dá)等[3]采用數(shù)值模擬探討了多種組合的人工魚(yú)礁的規(guī)模大小對(duì)于上升流與背渦流的效果影響，并通過(guò)該數(shù)值模擬對(duì)人工船礁的鋪設(shè)進(jìn)行了優(yōu)化。潘靈芝等[4]利用數(shù)值模擬量化了單體礁對(duì)流場(chǎng)的影響效果。李珺等[5]采用大渦模擬紊流，對(duì)按實(shí)際尺寸縮小1/10倍的米字型礁單體流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并認(rèn)為利用三維數(shù)值模擬計(jì)算方法模擬人工魚(yú)礁的流場(chǎng)變化是可行的。崔勇等[6]基于計(jì)算流體力學(xué)原理，模擬了不同流速下方形組合礁體間距對(duì)流場(chǎng)的影響，并認(rèn)為礁體的最佳間距在礁體自身尺寸的1～1.5倍之間。劉洪生等[7]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了不同類型的單體礁和正方體組合礁模型的流場(chǎng)效應(yīng)。劉彥等[8]運(yùn)用粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)試了單體星型和雙體星型礁體在不同流速下的流場(chǎng)效應(yīng)，并獲得了礁體的流場(chǎng)規(guī)模、上升流和背渦流的直觀顯示效果。關(guān)長(zhǎng)濤等[9]運(yùn)用相同的技術(shù)測(cè)試了不同水流速度下復(fù)合 M 型人工魚(yú)礁的二維流場(chǎng)，并取得了較好的效果。

經(jīng)過(guò)多年的投放使用發(fā)現(xiàn)圓管型人工魚(yú)礁集魚(yú)效果顯著，有良好的生態(tài)效應(yīng)。崔勇[10]等對(duì) 5 種不同形狀的水泥制魚(yú)礁模型進(jìn)行刺參誘集試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圓管型模型礁對(duì)刺參的平均聚集率最高，與其他 4 種模型礁相比差異顯著。

本文以連續(xù)性和雷諾平均 (RANS) 方程作為控制方程來(lái)研究分析三圓管礁體周圍的三維流場(chǎng)變化，在GAMBIT軟件中生成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元。礁體、計(jì)算域底面和側(cè)面采用默認(rèn)的無(wú)滑移的壁面邊界條件，以 (RNG)k-ε湍流模型作為黏滯模型，SIMPLEC算法用于壓力-速率耦合。本文對(duì)不同布設(shè)間距魚(yú)礁周圍的流場(chǎng)進(jìn)行研究，為圓管型人工魚(yú)礁的投放提供理論基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1 PIV模型試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 PIV波流水槽中進(jìn)行。水槽由透明玻璃構(gòu)成，長(zhǎng)22m、寬0.45m、高0.6m。試驗(yàn)采用美國(guó)TSI公司的 PIV系統(tǒng), 該系統(tǒng)包含了CCD相機(jī)、圖像采集卡、激光光源、計(jì)算機(jī)、同步儀等。示蹤粒子選用聚氯乙烯(PVC)粉末，具有良好的跟隨性、反光性，試驗(yàn)裝置示意圖如圖 1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置及 PIV 測(cè)速系統(tǒng)

1.1.2 礁體模型根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，投放水域平均水深10 m，水槽水深設(shè)為H=0.5m，則λ=1/20，故試驗(yàn)中模型尺度比為1∶20，材質(zhì)為有機(jī)玻璃。模型中3個(gè)圓管固定成一個(gè)整體，該組合礁體結(jié)構(gòu)及排列方式如圖2、3所示，其中單個(gè)圓管外半徑12.5mm，內(nèi)半徑10mm，壁厚2.5mm。本試驗(yàn)中所提到的三圓管型礁體均為疊放固定后的組合礁體(見(jiàn)圖2)。2個(gè)橫向和縱向組合模型礁間距為1.0L，其中L為模型礁體長(zhǎng)度，此處L=50mm。

1.1.3 試驗(yàn)方法和內(nèi)容PIV試驗(yàn)是三維視圖，示蹤粒子的直徑為10μm，密度為 1050kg/m3，將其投入到流體動(dòng)力水槽中，魚(yú)礁置于水槽的中間測(cè)試區(qū)域，激光從水槽底部打在模型的中軸面上，使用CCD高速攝像機(jī)捕捉粒子跟隨流體運(yùn)動(dòng)的圖像，每個(gè)流速采集2次，每次采集50對(duì)圖像，最后用 Insight 3G 軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析即可得相應(yīng)流場(chǎng)的流速分布(平均流場(chǎng)分布)。

圖2　三圓管型礁體結(jié)構(gòu)

圖3　三圓管型礁體間的排列方式

實(shí)際海域流速依次設(shè)為20、40、60、80、100cm/s，根據(jù)重力和紊動(dòng)阻力相似準(zhǔn)則，則其對(duì)應(yīng)的水槽前端試驗(yàn)流速依次設(shè)為4.5、9.0、13.5、18.0 和 22.5cm/s。因雷諾數(shù)可以反應(yīng)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，顯示流體湍流情況，數(shù)值模擬中也主要考慮湍動(dòng)能和耗散率，故本文中以雷諾數(shù)Re作為變量，則對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)依次為2.1 ×103、4.2 ×103、6.3 ×103、8.4 ×103和1.0 ×104。

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1 流體動(dòng)力學(xué)方程數(shù)值模擬中，將流體假設(shè)為不可壓縮、定常、黏性流體，控制方程采用由 Yakhot 和 Orzag提出的 RNG k-ε 模型[11]。

1.2.2 數(shù)值模擬模型模擬采用的人工魚(yú)礁模型尺寸規(guī)格與PIV試驗(yàn)中的一致，礁體距水槽側(cè)壁4倍礁長(zhǎng), 大于礁體的影響寬度,滿足試驗(yàn)要求。

1.2.3 計(jì)算域和邊界條件計(jì)算域尺寸根據(jù)水槽和模型尺寸選擇。計(jì)算域尺寸如圖4所示：計(jì)算域?qū)挾葹樗蹖?.45m，高度為水深0.5m，長(zhǎng)度為16倍的魚(yú)礁模型尺寸(礁體長(zhǎng)以L表示，模型前端5倍礁體長(zhǎng)，模型后端10倍礁體長(zhǎng))，保證礁體尾流區(qū)的范圍在10倍的礁體尺寸。

邊界條件設(shè)置如下：

(L為模型礁體長(zhǎng)度，數(shù)值為50mm。Lis the length of reef model, 50mm.)

圖4計(jì)算域尺寸

Fig.4Reef models in the computational domain

(1)入口邊界條件。選擇速度入口(5個(gè)入口流速)，根據(jù)PIV試驗(yàn)的實(shí)際測(cè)量值確定。

(2)出口邊界條件。選擇壓力出口邊界條件，相對(duì)靜壓力。

(3)壁面。魚(yú)礁?jìng)€(gè)體、計(jì)算域底面和側(cè)面選擇無(wú)滑移的壁面邊界條件；計(jì)算域頂部選擇零剪切力的“滑移”壁面，速度與來(lái)流速度一致。

1.2.4 網(wǎng)格獨(dú)立測(cè)試對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，確保數(shù)值模擬的精度。由于本文主要研究魚(yú)礁周圍的流場(chǎng)變化情況，因此，在縱切面(z=0 m)上選取了某條線(y=0.05m)上的 20 個(gè)點(diǎn)，分析在 4 種不同網(wǎng)格數(shù)目下，20 個(gè)點(diǎn)的流速變化情況。從圖5中可以看出，各個(gè)點(diǎn)的流速受網(wǎng)格數(shù)目的影響較小。因此，在本研究中，網(wǎng)格數(shù)目一般在500000～1100000之間。

(z=0 m，y=0.05 m)

2　結(jié)果與分析

本文在分析人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)時(shí)主要考慮魚(yú)礁周圍上升流和背渦流的分布情況，把水流速度沿垂直方向的速度分量大于或等于0.1倍來(lái)流速度的區(qū)域定義為上升流區(qū)域, 上升流高度以魚(yú)礁底部為零點(diǎn)計(jì)算，背渦流面積是根據(jù)礁體后部回流區(qū)的長(zhǎng)度和旋渦的高度計(jì)算得到。

布設(shè)間距處用數(shù)值模擬方法分析了2個(gè)單位礁橫向組合礁間距為0.5L、1.0L、1.5L和 2.0L，以及縱向組合礁間距為0.5L、1.0L、1.5L、2.0L、2.5L和 3.0L的礁體流場(chǎng)效應(yīng)，其中L=50mm。

2.1 單個(gè)三圓管礁體的流場(chǎng)分布

魚(yú)礁模型在縱向斷面上(Z=0m)雷諾數(shù)Re=1.0×104的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果分別如圖6、7所示。在矢量圖和云圖中礁體的上方有非常明顯的上升流，礁體后方也有明顯的背渦流，結(jié)果顯示試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果中的流速分布基本一致，但是背渦流形狀大小不一樣。

根據(jù)鄭延璇等[12]分析得出3個(gè)疊放的圓管形礁體的最大上升流流速與來(lái)流速度的比值、上升流高度與礁高比值、上升流面積與迎流面積比值、背渦流面積與迎流面積比值4組流場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算值和測(cè)量值的相對(duì)誤差均低于20%，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，也就是說(shuō)數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好的反應(yīng)人工魚(yú)礁周圍的流場(chǎng)分布。這對(duì)接下來(lái)用數(shù)值模擬方法研究布設(shè)間距對(duì)三圓管礁體流場(chǎng)效應(yīng)的影響提供了依據(jù)。

圖8是單個(gè)的三圓管礁體在不同雷諾數(shù)下的上升流與背渦流規(guī)模和強(qiáng)度的數(shù)值模擬結(jié)果。

(1)上升流圖8(a)～(c)是單個(gè)三圓管礁體的上升流的規(guī)模與強(qiáng)度，從圖中可以看出，最大上升流流速、上升流高度與礁高比值、上升流面積與迎流面積比值均隨著雷諾數(shù)的增大而增加。上升流最大流速增幅比較快，上升流面積增幅比較平緩，與迎流面積比值在0.68～0.86之間，上升流高度在雷諾數(shù)從6.3×103增加到8.4×103時(shí)增幅比較快。

(a)試驗(yàn)結(jié)果Result of test(b)數(shù)值模擬結(jié)果Result of numerical simulation

圖6三圓管礁在Re=1.0 ×104時(shí)流場(chǎng)分布矢量圖

Fig.6Flow field velocity vector diagram for single three-tube artificial reef atReof 1.0 ×104

(a)試驗(yàn)結(jié)果Result of test　　　　　　　　　　(b)數(shù)值模擬結(jié)果Result of numerical simulation

(2)背渦流圖8(d)是單個(gè)三圓管礁體的背渦流的規(guī)模與強(qiáng)度，從圖中可以看出背渦流面積隨著雷諾數(shù)的增大呈現(xiàn)出先增大后減小而后又增大的趨勢(shì)，在雷諾數(shù)為8.4×103時(shí)有所減小，總體上是一種增大的趨勢(shì)。

2.2 橫向組合間距對(duì)三圓管型礁周圍流場(chǎng)的影響

圖9為單體礁和2個(gè)橫向組合不同布設(shè)間距礁體在5種不同雷諾數(shù)下的流場(chǎng)效應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果，各指標(biāo)的變化情況如下： 隨著布設(shè)間距的增大，最大上升流流速、上升流高度、上升流面積均呈先增后減的趨勢(shì)，且在1.0L的間距下取得最大值，但在小雷諾數(shù)約束條件下，最大上升流流速和上升流高度先增后減趨勢(shì)不明顯；背渦流面積同樣在1.0L的間距下取得最大值，但隨布設(shè)間距的增大未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，且與單體礁的背渦流面積相近。在布設(shè)間距一定時(shí)，隨著雷諾數(shù)的增加，最大上升流流速、上升流高度、上升流面積逐漸增加，上升流面積增幅較小，且與單體礁的變化趨勢(shì)較一致；背渦流面積變化趨勢(shì)未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。

2.3 縱向組合間距對(duì)三圓管型礁周圍流場(chǎng)的影響

圖10為單體礁和2個(gè)縱向組合不同布設(shè)間距礁體在5種不同雷諾數(shù)下的流場(chǎng)效應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果，各指標(biāo)的變化情況如下：在雷諾數(shù)一定時(shí)，隨著布設(shè)間距的增加，最大上升流流速、上升流高度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，且在1.5L時(shí)達(dá)到最大；上升流面積呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，但較為平緩，與單體礁的變化趨勢(shì)一致，且在間距為 1.5L時(shí)達(dá)最大值；兩礁體間的背渦流面積在 0.5L時(shí)最小，2.0L時(shí)達(dá)到最大，也是先增大后減小的趨勢(shì)；兩礁體后的背渦流面積均小于單體礁，原因是前一個(gè)礁體的遮擋作用導(dǎo)致后一礁體的作用明顯減弱。在布設(shè)間距一定時(shí)，隨著雷諾數(shù)的增加：最大上升流流速、上升流高度與礁高比值、上升流面積與迎流面積比值也逐漸增大，與單體礁變化趨勢(shì)比較一致，但上升流面積在3.0L時(shí)是先減小后增大；背渦流面積變化趨勢(shì)未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。

圖8　單個(gè)的三圓管礁體在不同雷諾數(shù)下的上升流與背渦流規(guī)模和強(qiáng)度

圖9　單個(gè)和橫向組合礁體在不同雷諾數(shù)下的上升流與背渦流規(guī)模和強(qiáng)度

圖10　單個(gè)和縱向組合礁體在不同雷諾數(shù)下的上升流與背渦流規(guī)模和強(qiáng)度

2.4 三圓管型礁穩(wěn)定性的分析

為使礁體在水中能保持穩(wěn)定，本文通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)測(cè)定了三圓管型礁體模型在波浪和水流中的受力情況。底質(zhì)采用中砂粒徑，其摩擦力系數(shù)為0.614，模型比尺為1∶20。測(cè)定礁體模型在5種來(lái)流流速和8種波況下的阻力，具體流速和波況以及在各種工況下的受力情況如表1、2所示。

表1　5種不同流速下模型所受水流力

Note: ①Sea area velocity；②Test velocity；③Current force

表2　8種不同波況下模型所受波浪力

注：HT：實(shí)驗(yàn)波高Test wave height；TT: 實(shí)驗(yàn)波周期Test wave cycle；HS: 海域波高Sea area wave height；TS: 海域波周期Sea area wave cycle。

①Wave conditions；②Wave force

2.4.1 礁體抗滑移安全性校核礁體不發(fā)生滑移，則礁體與海底間的最大靜摩擦力大于礁體所受的流體力，即抗滑移系數(shù)S1>1,其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W為三圓管礁體模型重量，0.6615 N；μ為最大靜摩擦系數(shù)，此處取中砂粒徑0.614；ρ為海水密度，1 025kg/m3；σ為單位體積礁體的重量，2 570kg/m3；Fmax為礁體受到的水流阻力和波浪阻力，分析計(jì)算結(jié)果如表1、2所示。

2.4.2 礁體抗翻滾安全性校核礁體不發(fā)生翻滾，則礁體所受重力和浮力的合力矩M1要大于礁體所受的最大流體力力矩M2，即抗翻滾系數(shù)S2>1,其計(jì)算公式如下：

(2)式中：W為三圓管礁體模型重量，0.661 5N；ρ為海水密度，1 025kg/m3；σ為單位體積礁體的重量，2570kg/m3；lw為翻倒的回轉(zhuǎn)中心到重心的水平距離，0.025m；h0為流體作用力的高度，0.0233m；Fmax為礁體受到的水流阻力和波浪阻力。

根據(jù)以上分析，計(jì)算出礁體模型在5種流速和8種波況下的穩(wěn)定性情況(見(jiàn)表3和4)。

表3　礁體模型在5種流速下的穩(wěn)定性分析

Note:①Test velocity；②Current force；③Slip-resistance coefficient S1；④Rolling-resistance coefficient S2

表4　礁體模型在8種波況下的穩(wěn)定性分析

注：HT: 實(shí)驗(yàn)波高Test wave height；TT: 實(shí)驗(yàn)波周期Test wave cycle。

①Wave conditions；②Wave force；③Slip-resistance coefficient S1；④Rolling-resistance coefficient S2

根據(jù)礁體模型在實(shí)驗(yàn)工況下的受力分析發(fā)現(xiàn)，礁體所受水流力和波浪力均隨著來(lái)流速度、波高和波周期的增加而增加，相應(yīng)地其穩(wěn)定性也逐漸減小，但總體上礁體在不同流速和波況下的抗滑移系數(shù)、抗翻滾系數(shù)均是大于1的，即礁體模型在水流和波浪中能保持其穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生滑移翻滾現(xiàn)象。

3　討論

本文以三圓管型礁體為例，基于Fluent6.3.26數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方法比較分析了不同布設(shè)間距下的礁體周圍的流場(chǎng)變化情況，并分析了礁體模型在水流中的穩(wěn)定性。

隨著雷諾數(shù)的增大，礁體周圍的最大上升流流速、上升流高度和上升流面積均增大，說(shuō)明上升流的規(guī)模和強(qiáng)度隨雷諾數(shù)的增大而增大，這與劉洪生等[13]研究的上升流規(guī)模隨來(lái)流速度的增大而增大一致；背渦流面積隨雷諾數(shù)變化的規(guī)律不明顯，其原因可能是因?yàn)楸硎舅俣鹊募^的顏色、長(zhǎng)度不一樣，另外還可能與粒子的濃度及密度、水槽的震蕩等有關(guān)[14]。

橫向組合時(shí)，上升流和背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度在礁間距為1.0L時(shí)最大，即2個(gè)單位礁布設(shè)間距為 1.0L時(shí)可獲得上升流與背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度最大；縱向組合時(shí)，上升流的規(guī)模和強(qiáng)度在1.5L時(shí)達(dá)到最大值，背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度在2.0L時(shí)達(dá)到最大值，即2 個(gè)單位礁布設(shè)間距為 1.5L～2.0L時(shí)可獲得上升流與背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度最大，其中第二個(gè)單位礁的背渦流規(guī)模要明顯小于前面一個(gè)單位礁的規(guī)模，可能的原因是前面的單位礁削弱了后面礁體的背渦流，即縱向擺放形式下對(duì)背渦流影響范圍較大。

因此，三圓管型的組合礁體在布設(shè)間距為橫向1.0L，縱向1.5～2.0L時(shí)可獲得最大規(guī)模與強(qiáng)度的上升流和背渦流。這與劉洪生等[13]分析的模型間距在1.0～1.5L間距時(shí)的流場(chǎng)變化最大基本一致。在圓管型魚(yú)礁投放時(shí)，可以參考此結(jié)論進(jìn)行魚(yú)礁區(qū)的規(guī)劃布置。

本文對(duì)單體三圓管型人工魚(yú)礁模型進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，該礁體模型在水流和波浪中能保持其穩(wěn)定性，即本研究討論的橫向組合與縱向組合礁體穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)較小，對(duì)實(shí)際人工魚(yú)礁區(qū)的規(guī)劃和投放具有啟示意義。

4　結(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬方法模擬了布設(shè)間距對(duì)三圓管型礁體流場(chǎng)效應(yīng)的影響，比較分析出了最佳礁間距，并與已有的研究結(jié)果進(jìn)行了比較，說(shuō)明了數(shù)值模擬能夠較好地反應(yīng)布設(shè)間距對(duì)礁體周圍流場(chǎng)效應(yīng)的影響，并作了物理穩(wěn)定性的分析驗(yàn)證，可以為人工魚(yú)礁在實(shí)際海域的投放布局提供一定的理論依據(jù)，同時(shí)也為人工魚(yú)礁的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。目前，還需要用模型試驗(yàn)去驗(yàn)證完善數(shù)值模擬方法，同時(shí)與人工魚(yú)礁的實(shí)際投放情況相比較，結(jié)合礁體的物理穩(wěn)定性和生態(tài)效應(yīng)，綜合評(píng)估礁體布局，為人工魚(yú)礁的建設(shè)和發(fā)展提供參考依據(jù)。

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責(zé)任編輯朱寶象

Numerical Simulation of Disposal Space and Analysis on Physical Stability of Three-Tube Artificial Reefs

GUAN Chang-Tao1, 2, LI Meng-Jie1,2, ZHENG Yan-Xuan3, LI Jiao2, CUI Yong2,LI Zhen-Zhen1,2, WANG Teng-Teng1,2

(1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Qingdao Key Laboratory for Marine Fish Breeding and Biotechnology, Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture, Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Rushan City Ocean and Fishery Administration, Weihai 264500, China)

The study of flow field effect and physical stability on artificial reef is very important for the constuction of artificial reefs. As a theoretical discussion, the intensity and scale of combined three-tube artificial reef with different layouts at five Reynolds numbers (Re) were numerically investigated using the RNG k-ε turbulent model and SIMPLEC algorithm in this study. The three dimensional flow field around three-tube artificial reefs was analyzed by using the continuity and Reynolds averaged (RANS) equations, generating tetrahedral unstructured mesh elements in GAMBIT. The bottom surface and the side surface used boundary conditions with no-slipping wall, the viscous model used k-ε turbulence model, and the pressure-velocity coupling used SIMPLEC algorithm. Utilizing FLUENT6.3.26 to simulate the flow field around five different artificial reef models including single reef and two reefs combined in different disposal spaces. Particle image velocimetry (PIV) technique was also used to analyze the flow flied distribution by comparing the indexes of flow field obtained in experiment and numerical simulation.Results showed that, in the environment of FLUENT software, upwelling size and strength increased with the increase of Rey-nolds number, but the trend of back eddy was not obvious. In a parallel combination, a better flow field effect of artificial reef was obtained when the disposal space between two parallel reefs was 1 times wide of reef size. While in a vertical combination, a better performance occurred when the disposal space between two vertical reefs was 1.5～2.0 times of the reef size. At different current velocities and under different wave conditions, both the slip-resistance coefficient and rolling-resistance coefficient of the three-tube artificial reef were greater than 1, which proved that the three-tube artificial reef had good physical stability. The research can provide theoretical reference for the construction of artificial reefs.

artificial reef; effect of flow field; disposal space; numerical simulation; physical stability

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201003068)資助

2015-04-23；

2016-01-24

關(guān)長(zhǎng)濤(1962-),男,研究員,主要從事設(shè)施漁業(yè)工程技術(shù)研究。E-mail:guanct@ysfri.ac.cn

S931.1

A

1672-5174(2016)09-009-09

10.16441/j.cnki.hdxb. 20150157

Supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201003068)