唐衍力，龍翔宇，王欣欣，姜昭陽，程 暉，張同征

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中國常用人工魚礁流場效應(yīng)的比較分析

唐衍力1，龍翔宇1，王欣欣1※，姜昭陽2，程 暉1，張同征1

（1. 中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，青島 266003；2. 山東大學(xué)(威海)海洋學(xué)院，威海264209）

不同結(jié)構(gòu)的人工魚礁在海中會產(chǎn)生不同的流場效應(yīng)，為了對比分析不同結(jié)構(gòu)人工魚礁的流場效應(yīng)差異，該文利用CFX軟件，對6類礁型18種中國常用人工魚礁進行了數(shù)值模擬。引入了2種相對評價方法（比礁高和比混凝土體積）和3個評價指標（礁體中垂面上的上升流面積、背渦流面積和上升流高度）。首先分析了評價指標適用的相對評價方法，然后對18種魚礁進行比較研究，最后從每類礁型分別選出一個礁體為代表研究它們在不同流速下（0.2, 0.4, 0.6, 0.8和 1.0 m/s）上升流和背渦流的差異。結(jié)果表明：研究上升流和背渦流面積時比混凝土體積法更科學(xué)，研究上升流高度時比礁高法更有效；無論上升流還是背渦流，三角型礁的相對面積都為最大，復(fù)合型礁次之，框架性礁最??；上升流高度、上升流面積和背渦流面積都不隨來流速度變化；最大上升流流速與來流速度呈線性關(guān)系，其斜率在不同礁體間存在差異；該研究以期為不同海域不同要求下人工魚礁的選擇和設(shè)計提供了參考。

魚礁；流場；數(shù)值模擬；人工；比礁高，比混凝土體積

0 引 言

由于過度捕撈和環(huán)境污染，海洋生態(tài)環(huán)境遭到破壞，漁業(yè)資源瀕臨枯竭，利用人工魚礁改善和優(yōu)化海域生態(tài)環(huán)境已被廣泛采用[1]。美國、日本、韓國、澳大利亞等一些漁業(yè)發(fā)達國家，在利用人工魚礁修復(fù)和改善漁業(yè)生態(tài)環(huán)境、開發(fā)和保護漁業(yè)資源等方面，取得了諸多成效[2-5]。人工魚礁可為海洋生物提供索餌、繁殖、生長等場所，達到修復(fù)漁業(yè)資源和改善海洋生態(tài)環(huán)境的目的[6]。人工魚礁投放后，會產(chǎn)生流場效應(yīng)、餌料效應(yīng)和避敵效應(yīng)。由于魚礁對水流的阻礙作用導(dǎo)致周圍的壓力場發(fā)生變化，形成了新的流場分布[7]。流體經(jīng)過礁體時產(chǎn)生的上升流和背渦流可促進上下層海水的交換、加快營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、提高海域的初級生產(chǎn)力，從而誘集魚類。多數(shù)魚類喜棲息于流速緩慢的渦流區(qū)，渦流還可造成浮游生物、甲殼類和魚類的物理性聚集。因此，上升流和背渦流規(guī)模是衡量人工魚礁流場效應(yīng)的重要指標，對人工魚礁物理環(huán)境功能造成技術(shù)的研究具有重要意義[8]。

日本學(xué)者上北征男等對人工魚礁著底沖擊力和海底礁各種地形產(chǎn)生的涌升流進行了研究[9-11]。鄭延璇等通過數(shù)值模擬和粒子圖像測速分析了3種疊放方式的圓管型人工魚礁周圍的流場分布[12]。劉洪生等通過風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬研究了正方體、三棱柱及金字塔型人工魚礁周圍的流場[13]。崔勇等采用數(shù)值模擬方法研究了布設(shè)間距對人工魚礁流場效應(yīng)的影響，并與劉洪生等利用風(fēng)洞試驗研究不同類型人工魚礁單體和不同組合正方體模型的流場效應(yīng)結(jié)果進行了對比，二者確定2個礁體的最佳布設(shè)間距為礁體尺寸的1~1.5倍，結(jié)果一致[14-15]。先前對人工魚礁流場效應(yīng)的研究只局限于一種或幾種礁體，并且缺少不同形狀間的橫向?qū)Ρ取１疚倪x取了6類18人工魚礁進行數(shù)值模擬，對比研究了其流場效應(yīng)的差異。

本文基于計算流體力學(xué)理論，建立了單體人工魚礁周圍的湍流數(shù)值模型，采用有限體積法（finite volume method，F(xiàn)VM）對三維Navier-Stokes方程進行離散求解。鑒于許多學(xué)者已經(jīng)證實了計算流體動力學(xué)軟件CFX的可信度[16-19]，運用CFX分析了中國常用的6類礁型18種人工魚礁的流場分布特性。用上升流和背渦流作為人工魚礁流場效應(yīng)的衡量指標，采用比礁高（上升流高度、上升流面積或背渦流面積與礁高之比）和比混凝土體積（上升流高度、上升流面積或背渦流面積與礁體混凝土體積之比）2種方法，系統(tǒng)分析了不同人工魚礁的流場效應(yīng)，以期為人工魚礁的設(shè)計、選型和生態(tài)效益評估提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程

假設(shè)流體為不可壓縮流動，三維笛卡爾坐標系中，連續(xù)性方程和雷諾時均Navier–Stokes方程為[20]

（2）

式中為流體密度，kg/m3；,u(,=1,2,3,)為直角坐標系,和3個方向的平均流速，m/s；為平均壓強，Pa；為動力粘度，Pa·s；為雷諾應(yīng)力，N。

（4）

1.2 數(shù)值模擬模型

圖1為中國常用的18種人工魚礁（artificialreef,AR）模型[25]，以形狀將其分為方型（AR01～AR05）、框架型（AR06～AR08）、棱臺型（AR09和AR10）、三角型（AR11和AR12）、圓柱型（AR13～AR15）和復(fù)合型（AR16～AR18）等6類礁型，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

如圖2所示，將礁體靜置海底，豎直方向為礁體高度(m)，沿水流方向為礁體長度(m)，與水流方向和豎直方向垂直的是礁體寬度(m)。對于側(cè)面相同的方型礁、框架型礁、棱臺型礁和復(fù)合型礁，選擇任一側(cè)面為迎流面，而AR18選擇船型側(cè)面為迎流面；對于三角型礁，選擇斜板面為迎流面；對于圓柱型礁，選擇管壁為迎 流面。

1.3 計算域和邊界條件

流場計算區(qū)域包括入口邊界(Inlet)、出口邊界(Outlet)、壁面(Wall)和開放面(Opening)，為準確反映礁體周圍流場情況，參考文獻[26]，計算域設(shè)定長度為魚礁前3倍礁長，后10倍礁長，寬度為5倍礁寬，高度為5倍礁高，即14×5×5，如圖3a所示。

圖1 18種常用人工魚礁

表1 18種常用人工魚礁相關(guān)參數(shù)

文中所設(shè)定的邊界條件如下

1）入口邊界為速度入口，設(shè)置來流速度，計算并給定邊界上湍動能和湍動耗散率；

2）出口邊界為壓力出口，相對壓強設(shè)定為0 Pa；

3）計算域的頂面和兩側(cè)面選擇開放面，設(shè)置為可移動的壁面；

4）計算域底面和礁體表面選擇壁面，設(shè)置為光滑和無滑移。

1.4 網(wǎng)格劃分

使用ANASYS Workbench Mesh模塊對人工魚礁和計算流域進行四面體單元非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。由于礁體周圍流場變化梯度較大，為提高數(shù)值模擬的計算精度，在礁體周圍設(shè)置一個加密區(qū)域，范圍為5×3×3，即5倍礁長、3倍礁寬和3倍礁高。對于加密區(qū)域，單元尺寸設(shè)置為0.1 m，其它區(qū)域使用相對稀疏的網(wǎng)格，如圖3b所示。網(wǎng)格無關(guān)性的預(yù)試驗表明，當網(wǎng)格數(shù)量在500萬以上時，網(wǎng)格數(shù)量對結(jié)果幾乎沒有影響，最終網(wǎng)格劃分的數(shù)量介于5～20×106。

圖3 計算域，邊界條件和網(wǎng)格劃分

1.5 流場效應(yīng)評價指標和計算方法

由于上升流和背渦流體積不易計算，選擇它們在中垂面上的面積進行研究。數(shù)值計算中，假定坐標原點位于礁體底面中心，來流方向沿軸方向，軸為豎直方向。選取=0中垂面（平面）作為研究的基準面（如圖4），將方向流速分量與來流速度之比等于或大于10%的區(qū)域定義為上升流區(qū)域[27]。由于背渦流沒有明確數(shù)量和方向上的定義，本文將在方向速度分量小于0的區(qū)域作為背渦流區(qū)域進行簡化計算[18]。上升流高度都是以礁體底部為零點進行測量的。

數(shù)值模擬中，用CFX對人工魚礁的流場效應(yīng)進行分析。將18種礁體導(dǎo)入CFX進行計算，計算結(jié)果導(dǎo)入CFD- Post后處理，上升流和背渦流面積采用Photoshop像素法計算[28]，對所得的上升流和背渦流面積進行比礁高和比混凝土體積2種相對化處理得到相對面積，然后進行定量分析比較。從每種類型中選出一個代表礁體，進行多流速模擬計算，流速分別為0.2, 0.4, 0.6, 0.8和1.0 m/s，研究流速對不同形狀人工魚礁的上升流和背渦流相關(guān)特性的影響。

圖4 定義的中垂面

2 結(jié)果與分析

2.1 上升流的流場效應(yīng)

圖5是18種礁體在中垂面上的上升流相對面積對比圖，可以看出18種礁體均存在上升流。采用比礁高評價法，上升流相對面積范圍0.74～46.24，AR06上升流相對面積最小，AR18最大（AR18的速度矢量圖如圖6a所示）。在相同礁高條件下，框架型礁體上升流面積均小于其他類型礁體，而復(fù)合型礁上升流面積最大，三角型礁次之。方型礁AR03、框架型礁AR07、棱臺型礁AR10、三角型礁AR11、圓柱型礁AR15和復(fù)合型礁AR18分別是同類型中上升流相對面積最大的礁體。采用比混凝土體積評價法，上升流相對面積范圍0.87～10.19，AR08上升流相對面積最小，AR13最大（AR13的速度矢量圖如圖6b所示）。相同混凝土體積條件下，框架型礁體上升流面積均小于其他類型礁體，方型礁AR02、框架型礁AR07、棱臺型礁AR10、三角型礁AR11、圓柱型礁AR13和復(fù)合型礁AR18分別是同類型中上升流相對面積最大的礁體。

圖5 兩種上升流相對面積

AR18由于迎流面寬度較大，用礁高比法分析其上升流相對面積明顯大于其它礁體；而用混凝土體積法進行比較時，差異明顯減小。所以在相同礁高條件下，混凝土體積的差異會對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，故認為比混凝土體積法能更科學(xué)、準確地評價礁體上升流效應(yīng)。

綜上所述，比混凝土體積法得到的結(jié)果，框架型礁上升流相對面積最??；三角型礁上升流相對面積最大；復(fù)合型礁上升流相對面積僅次于三角型礁；方型礁、棱臺型礁和圓柱型礁的上升流相對面積差別不大。

圖6是AR18、AR13和AR11在中垂面上的速度矢量圖?？梢钥闯隽黧w經(jīng)過礁體，會在礁體上方產(chǎn)生上升流，后方產(chǎn)生背渦流，并且不同形狀的礁體上升流和背渦流的位置、規(guī)模等也會存在差異。

圖6 礁體在中垂面上的速度矢量圖

2.2 背渦流的流場效應(yīng)

圖7是礁體在中垂面上的背渦流相對面積對比圖，可以看出18種礁體均存在背渦流。采用比礁高法，背渦流相對面積范圍0.19～31.80，AR07最小，AR18最大。在相同礁高條件下，框架型礁背渦流面積均小于其他類型礁體，而三角型礁、復(fù)合型礁均大于其他類型的礁體(除AR01)。方型礁AR01、框架型礁AR06、棱臺型礁AR10、三角型礁AR11、圓柱型礁AR14和復(fù)合型礁AR18分別是同類型中背渦流相對面積最大的礁體。采用比混凝土體積法，背渦流相對面積范圍0.27～10.52，AR08最小，AR11最大（AR11的速度矢量圖如圖6c所示）。相同混凝土體積條件下，框架型礁體背渦流面積均小于其他類型礁體(除AR09)。方型礁AR01、框架型礁AR06、棱臺型礁AR10、三角型礁AR11、圓柱型礁AR13和復(fù)合型礁AR16分別是同類型中背渦流相對面積最大的礁體。

圖7 兩種背渦流相對面積

通過比礁高和比混凝土體積分析不同礁體背渦流的流場效應(yīng)，與上升流流場效應(yīng)同理，比較2種相對面積評價背渦流方法，比混凝土體積法仍是更科學(xué)準確地評價背渦流面積方法。

綜上所述，比混凝土體積法得到的結(jié)果，框架型礁背渦流相對面積最??；三角型礁背渦流相對面積最大；復(fù)合型礁背渦流相對面積僅次于三角型礁；方型礁、棱臺型礁和圓柱型礁的背渦流相對面積差別不大。

2.3 流速對流場效應(yīng)的影響

根據(jù)比混凝土體積法的結(jié)果，每種類型礁體以上升流與背渦流相對面積之和最大為標準，選取的6個礁體為AR02、AR06、AR10、AR11、AR13和AR16。分析其在0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 m/s 5種流速下上升流和背渦流的變化。

如圖8所示，6個礁體在0.2、0.4、0.6、0.8和1.0m/s 5種流速下，上升流和背渦流面積雖然有波動但變化很小，表明上升流和背渦流面積幾乎不隨來流速度的變化而變化。

圖8 6個礁體在0.2、0.4、0.6、0.8和1.0m/s 5種來流速度下上升流和背渦流面積

通過分析礁體中垂面上方向速度分量分布，得到礁體在不同來流速度下的最大上升流流速，最大上升流流速是在上升流區(qū)域中某一點處的最大值，相同礁體的最大上升流流速在相同點處取得，這與何文榮[29]的結(jié)論是一致的。圖9給出了6種礁體在不同來流速度下最大上升流速度的變化曲線。從圖中可以看出，所有礁體最大上升流流速與來流速度均為線性關(guān)系，擬合曲線2的范圍為0.9997～1。2越接近1，擬合度越高，即說明礁體的最大上升流流速與來流速度的比幾乎不隨來流速度的變化而變化，此結(jié)論與何文榮[29]的金字塔型人工魚礁CFD研究中所得結(jié)論是一致的。從圖中進一步分析得出不同礁體的最大上升流流速與來流速度比值存在差異，比值由大到小分別為：AR16>AR10>AR13>AR02>AR11> AR06。通過最大上升流流速與來流速度的比值排序可以看出，多數(shù)迎流面傾斜的礁體在相同的來流速度條件下，最大上升流流速更大。AR13由三個混凝土圓管組成，其迎流面也相當于具有一定的傾角。AR11的比值比AR02小，可能是由于AR11迎流面上開口較多，影響了傾斜的迎流板該有的上升流效果。

圖9 最大上升流流速與來流速度的關(guān)系

圖10a為上升流高度比礁高與來流速度的關(guān)系，其上升流高度幾乎不隨來流速度變化，這與黃遠東、劉彥的研究結(jié)論一致[30-31]。上升流高度比礁高由大到小依次為：AR11>AR16>AR02>AR10>AR13>AR06，礁高越大，其單位礁高的上升流高度越大（AR06除外）；圖10b是上升流高度比混凝土體積與來流速度的關(guān)系，上升流高度比混凝土體積由大到小依次為：AR13>AR06>AR10> AR11>AR02>AR16，混凝土體積越小，其單位混凝土體積的上升流高度越大（AR10和AR11除外）。在研究上升流高度時，比混凝土體積法傾向于混凝土體積較小的礁體，而比礁高法較為準確的表征出礁體上升流高度。

3 結(jié) 論

本文運用CFX對18種中國常用的人工魚礁進行模擬，利用比礁高和比混凝土體積2種方法對中垂面上升流面積、背渦流面積和上升流高度進行了分析，得出以下結(jié)論：

1）將18種礁體分為方型礁、框架型礁、棱臺型礁、三角型礁、圓柱型礁和復(fù)合型礁等6大類，礁體的上升流和背渦流相對面積采用較好的比混凝土體積法評價。結(jié)果表明，無論上升流和背渦流相對面積，三角型礁為最好，復(fù)合型礁次之，而框架型礁為最差。方型礁、棱臺型礁和圓柱型礁相對面積相近且效果中等。

2）選出的6個代表礁體的上升流面積和背渦流面積大小與來流速度不相關(guān)；最大上升流流速與來流速度呈線性關(guān)系，其斜率在不同礁體間存在差異；礁體的上升流高度與來流速度不相關(guān)。

3）18種礁體上升流和背渦流相對面積采用比混凝土體積法評價，上升流高度采用比礁高法評價。在保證低成本的情況下，要得到更大的背渦流面積，應(yīng)選擇AR11、AR10和AR13；要得到更大的上升流面積，應(yīng)選擇AR13、AR11和AR18。AR11有著最大的背渦流相對面積和最大的相對影響面積（上升流相對面積與背渦流相對面積之和），而且在相同礁高的情況下，也有最大的上升流高度(其次是AR16和AR02)，但其最大上升流流速較小。最大上升流流速最大的是AR16，其次是AR10和AR13。

通過比礁高和比混凝土體積2種方法可以分析研究不同類型礁體的的上升流和背渦流相關(guān)特性，為不同海域、不同條件下人工魚礁礁型的選擇提供了一定的理論指導(dǎo)，同時在人工魚礁設(shè)計上也有一定的參考價值。但相關(guān)參數(shù)隨礁高或混凝土體積的變化規(guī)律尚不明確，需今后進一步研究。

[1] 陳勇，于長清，張國勝，等. 人工魚礁的環(huán)境功能與集魚效果[J]. 大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報，2002，17(1)：64－69. Chen Yong, Yu Changqing, Zhang Guosheng, et al. The environmental function and fish gather effect of artificial reefs[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2002, 17(1): 64－69. (in Chinese with English abstract)

[2] Branden K L, Pollard D A, Reimers H A. A review of recent artificial reef developments in Australia[J]. Bulletin of Marine Science -Miami-, 1994, 55(2/3): 982－994.

[3] Clark S, Edwards A J. Use of artificial reef structures to rehabilitate reef flats degraded by coral mining in the maldives[J]. Bulletin of Marine Science -Miami-, 1994, 55 (2/3): 724－744.

[4] Baine M. Artificial reefs: A review of their design, application,management and performance[J]. Ocean & Coastal Management, 2001, 44(3/4): 241－259.

[5] 劉惠飛. 日本人工魚礁建設(shè)的現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代漁業(yè)信息，2001(12)：15－17. Liu Huifei. The status of construction of artificial fish reef in Japan[J]. Journal of Modern Fisheries Information, 2001(12): 15－17. (in Chinese with English abstract)

[6] 王波，武建平，高峻，等. 關(guān)于青島建設(shè)人工魚礁改善近海生態(tài)和漁業(yè)環(huán)境的探討[J]. 海岸工程，2004(4)：66－73. Wang Bo, Wu Jianping, Gao Jun, et al. An approach to construction of artificial reef to improve the offshore ecology and fishery environments in Qingdao[J]. Coastal Engineering, 2004(4): 66－73. (in Chinese with English abstract)

[7] 張碩，孫滿昌，陳勇. 不同高度混凝土模型礁上升流特性的定量研究[J]. 大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報，2008，23(5)：353－358. Zhang Shuo, Sun Manchang, Chen Yong. Quantitative analysis of upwelling current features of a artificial concrete reef with different height[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2008, 23(5): 353－358. (in Chinese with English abstract)

[8] 賈曉平，陳丕茂，唐振朝，等. 人工魚礁關(guān)鍵技術(shù)研究與示范[M]. 北京: 海洋出版社，2011：30－33.

[9] 上北征男. 水産増養(yǎng)殖施設(shè)の水力學(xué)的研究[R]. 水産工學(xué)研究所報告，1982(3)：67－100. Yukio Uekita. Hydraulic studies on the aquacutural facilities[R]. Bulletin of National Research Institute of Fisheries Engineering, 1982(3): 67－100. (in Japanese with English abstract)

[10] 秀島好昭，上北征男. 人工魚礁の著底衝擊力に関する研究[R]. 水産工學(xué)研究所報告，1983(4)：59－71. Yoshiaki Hideshima, Yukio Uekita. Study on the impact force to the artificial fish scheme colliding with the sea bottom[R]. Bulletin of National Research Institute of Fisheries Engineering, 1983(4): 59－71. (in Japanese with English abstract)

[11] 上北征男，中村充，秀島好昭. 海底礁による地形性湧昇流に関する研究[R]. 水産工學(xué)研究所報告，1984(5)： 33－66. Yukio Uekita, Makoto Nakamura, Yoshiaki Hideshima. Observation of the upwelling causing behind the large reef in case of siomaki, Yamaguchi Pref[R]. Bulletin of National Research Institute of Fisheries Engineering, 1984(5): 33－66. (in Japanese with English abstract)

[12] 鄭延璇，梁振林，關(guān)長濤，等. 三種疊放形式的圓管型人工魚礁流場效應(yīng)數(shù)值模擬與PIV試驗研究[J]. 海洋與湖沼，2014，45(1)：11－19. Zheng Yanxuan, Liang Zhenlin, Guan Changtao, et al. Numerical simulation and experimental study on flow field of artificial reefs in three tube-stacking layouts[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2014, 45(1): 11－19. (in Chinese with English abstract)

[13] 劉洪生，馬翔，章守宇，等. 人工魚礁流場風(fēng)洞實驗與數(shù)值模擬對比驗證[J]. 中國水產(chǎn)科學(xué)，2009(3)：365－371. Liu Hongsheng, Ma Xiang, Zhang Shouyu, et al. Validation and comparison between wind tunnel experiments and numerical simulation of flow field around artificial reefs[J]. Journal of Fishery Sciences of China, 2009(3): 365－371. (in Chinese with English abstract)

[14] 崔勇，關(guān)長濤，萬榮，等. 布設(shè)間距對人工魚礁流場效應(yīng)影響的數(shù)值模擬[J]. 海洋湖沼通報，2011(2)：59－65. Cui Yong, Guan Changtao, Wan Rong, et al. Numerical simulation on influence of disposal space for effects of flow field around artificial reefs[J]. Transactions of Oceanology and Limnology, 2011(2): 59－65. (in Chinese with English abstract)

[15] 劉洪生，馬翔，章守宇，等. 人工魚礁流場效應(yīng)的模型實驗[J]. 水產(chǎn)學(xué)報，2009(2)：229－236. Liu Hongsheng, Ma Xiang, Zhang Shouyu, et al. Research on model experiments of effects of artificial reefs on flow field[J]. Journal of Fisheries of China, 2009(2): 229－236. (in Chinese with English abstract)

[16] Kim K, Ahmed M R, Lee Y. Efficiency improvement of a tidal current turbine utilizing a larger area of channel[J]. Renewable Energy, 2012(48): 557－564.

[17] Finnegan W, Goggins J. Numerical simulation of linear water waves and wave–structure interaction[J]. Ocean Engineering, 2012(43): 23－31.

[18] Kim D, Woo J, Yoon H, et al. Wake lengths and structural responses of Korean general artificial reefs[J]. Ocean Engineering, 2014(92): 83－91.

[19] Woo J, Kim D, Yoon H, et al. Characterizing Korean general artificial reefs by drag coefficients[J]. Ocean Engineering, 2014(82): 105－114.

[20] 王福軍. 計算流體力學(xué)分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[21] Yakhot V, Orzag S A. Renormalization group analysis of turbulence: basic theory[J]. Journal of Scientific Computation, 1986(1): 3－11.

[22] Veersteg H K, Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method[J]. Pearson Schweiz Ag, 1995, 20(5): 400.

[23] 郭鴻志. 傳輸過程數(shù)值模擬[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

[24] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)(第2版)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[25] 王磊，唐衍力，黃洪亮，等. 混凝土人工魚礁選型的初步分析[J]. 海洋漁業(yè)，2009(3)：308－315. Wang Lei, Tang Yanli, Huang Hongliang, et al. Primary analysis of model selection for artificial reefs[J]. Marine Fisheries, 2009(3): 308－315. (in Chinese with English abstract)

[26] 鄭延璇，關(guān)長濤，宋協(xié)法，等. 星體型人工魚礁流場效應(yīng)的數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(19)：185－193. Zheng Yanxuan, Guan Changtao, Song Xiefa, et al. Numerical simulation on flow field around star artificial reefs[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(19): 185－193. (in Chinese with English abstract)

[27] 關(guān)長濤，劉彥，趙云鵬，等. 復(fù)合M型人工魚礁粒子圖像測速二維流場試驗研究[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2010，37(1)： 15－19. Guan Changtao, Liu Yan, Zhao Yunpeng, et al. Experimental study on two-dimensional flow field of the compound M artificial reef with particle image velocimetry[J]. Fishery Modernization, 2010, 37(1): 15－19. (in Chinese with English abstract)

[28] 謝亮. Photoshop像素法在計算地圖面積中的應(yīng)用[J]. 電腦知識與技術(shù)，2010，6(15)：4021－4022.Xie Liang. Application of Photoshop pixel method in calculating map area[J]. Computer Knowledge and Technology, 2010, 6(15): 4021－4022. (in Chinese with English abstract)

[29] 何文榮，黃遠東，黃黎明，等. 金字塔型人工魚礁繞流的三維CFD模擬研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報，2013，24(5)：71–76. He Wenrong, Huang Yuandong, Huang Liming, et al. Simulation of three-dimensional CFD of water flowat pyramid artificial reef[J].Journal of Water Ｒesources & Water Engineering, 2013, 24(5): 71–76. (in Chinese with English abstract)

[30] 黃遠東，姜劍偉，趙樹夫. 方型人工魚礁周圍水流運動的數(shù)值模擬研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報，2012(3)：1－3. Huang Yuandong, Jiang Jianwei, Zhao Shufu. Study on numerical model of water flows past a square artificial reef[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2012(3): 1－3. (in Chinese with English abstract)

[31] Liu Y, Zhao Y P, Dong G H, et al. A study of the flow field characteristics around star-shaped artificial reefs[J]. Journal of Fluids & Structures, 2013, 39(5): 27－40.

Comparative analysis on flow field effect of general artificial reefs in China

Tang Yanli1, Long Xiangyu1, Wang Xinxin1※, Jiang Zhaoyang2, Cheng Hui1, Zhang Tongzheng1

(1.,266003,; 2.,,264209,)

Artificial reef (AR) is widely used to improve marine ecological environment. Some fisheries developed countries, such as America, Japan, Korea, Australia, New Zealand and some EU (European Union) states, have acquired a lot of achievements on the exploitation and protection of fishery resources by use of ARs. Flow field effect, bait effect and avoidance effect will be caused when the ARs are placed on the sea floor. Flow field effect is deemed to the main affecting mechanism of ARs, and the upwelling and back vortex are important indices to measure the flow field effect of ARs. So far, the study on the flow field effect of ARs has been limited to one or several reefs in China. However, no one has yet scientifically investigated the flow field effect of the Chinese general ARs. This study focused on the 18 types of general ARs, which were divided into 6 kinds, to investigate different flow field effects among them. And several representative reefs were selected for further study, which was the study on the effects of various flow velocity on the characteristics of upwelling and back vortex. Based on theory of computational fluid dynamics, numerical models of turbulent flow were built. Three-dimensional Navier-Stokes equations were solved by the finite volume method. The software CFX (computational fluid X) was used to study the performances of the flow field around reefs when flow passed through them. The 2 evaluation methods, the reef height ratio and the concrete volume ratio, were used to analyze the upwelling area, the back vortex area and the height of upwelling on the central plane. The reef height ratio is the ratio of the maximum upwelling height, upwelling area or back vortex area to reef height. And the concrete volume ratio is the ratio of the maximum upwelling height, upwelling area or back vortex area to concrete volume of reef. The paper was aimed to discuss the advantages and disadvantages of the 2 methods, and to analyze the different flow field effects among 18 types of ARs. Besides, the better reefs would be selected for diverse requirements. The results suggested the concrete volume ratio was a better criterion when studying the upwelling area and the back vortex area, and the height ratio was more appropriate when studying the height of upwelling. Regardless of the upwelling or the back vortex, triangle reefs had the largest relative area and complex reefs were the second, while frame reefs were the least. Then one reef was selected from each type to conduct the research to find out whether there were the effects of different flow velocity (0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0 m/s) on upwelling area, back vortex area, the maximum upwelling velocity and maximum height of upwelling. The results demonstrated that the height of upwelling, the upwelling area, and the back vortex area fluctuated in an extremely narrow range under the 5 flow velocities. The maximum flow velocity of upwelling was linear with the flow velocity, and the slope showed the difference among different reefs. Moreover, reefs for different demands had been selected. AR11, AR10 and AR13 had a larger back vortex area with low cost. AR13, AR11 and AR18 should be chosen for the need of larger upwelling area. AR11 had not only the largest relative area of back vortex but also the largest relative influence area (sum of the upwelling area and the back vortex area). In addition, AR11 had the highest height of upwelling at the same reef height (followed by AR16 and AR02). The top 3 types of reefs with the maximum flow velocity were AR16, AR10 and AR13. The study provides the theoretical basis for the selection of AR, which can cater to various demands. Moreover, it also has certain reference value for the design of AR.

reefs; flow fields; numerical simulation; artificial; the height ratio; the concrete volume ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.013

S96

A

1002-6819(2017)-08-0097-07

2016-08-23

2017-04-20

海洋公益性專項（201305030）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科技專項（201203018）

唐衍力，男，教授，博士，研究方向為人工魚礁與海洋牧場、選擇性漁具漁法。青島 中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，266003。 Email：tangyanli@ouc.edu.cn

王欣欣，女，講師，博士，研究方向為漁具設(shè)施水動力學(xué)研究。青島 中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，266003。Email：wxinxin@ouc.edu.cn

唐衍力，龍翔宇，王欣欣，姜昭陽，程 暉，張同征.中國常用人工魚礁流場效應(yīng)的比較分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(8)：97－103. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.013 http://www.tcsae.org

Tang Yanli, Long Xiangyu, Wang Xinxin, Jiang Zhaoyang, Cheng Hui, Zhang Tongzheng. Comparative analysis on flow field effect of general artificial reefs in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 97－103. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.013 http://www.tcsae.org