葉功照，王 瑩，陳 舜，蕭云樸，俞鴻源,，胡夫祥，尤鑫星，宋偉華

(1 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點(diǎn)試驗(yàn)室，浙江 舟山，316000；2 浙江省平陽縣海洋與漁業(yè)局，浙江 平陽，325400；3 日本東京海洋大學(xué)，日本 東京，1080075)

隨著海洋漁業(yè)資源的衰退，海洋牧場作為一種生態(tài)型漁業(yè)增養(yǎng)殖模式是短期內(nèi)恢復(fù)漁業(yè)資源的重要舉措[1]。南麂列島是1990年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)建立的中國首批5個(gè)國家級(jí)海洋自然保護(hù)區(qū)之一，漁業(yè)修復(fù)實(shí)踐已進(jìn)行了30多年并卓有成效。但經(jīng)過基于計(jì)算回波角瞬時(shí)圖像技術(shù)的側(cè)掃聲吶技術(shù)(C3D)對(duì)南麂列島海域5個(gè)海區(qū)人工魚礁的位置及布局、礁體穩(wěn)定性、礁體沉降情況等進(jìn)行側(cè)掃探測分析，南麂列島所建礁體普遍存在沉陷、移位等現(xiàn)象，建設(shè)效果沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)[2]。對(duì)南麂列島所布設(shè)的人工魚礁進(jìn)行相應(yīng)的水動(dòng)力性能分析研究很重要[3-4]。

目前，國內(nèi)對(duì)于人工魚礁水動(dòng)力性能的研究方法較常使用的有水槽模型試驗(yàn)[5-7]、粒子圖像測速水槽試驗(yàn)[6-8]及數(shù)值模擬試驗(yàn)[8-13]。水槽模型試驗(yàn)以其直觀、真實(shí)的特點(diǎn)而在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展。史紅衛(wèi)等[14]通過水槽試驗(yàn)對(duì)無蓋礁體和有蓋礁體在不同迎流角度下的水動(dòng)力性能進(jìn)行對(duì)比研究。張碩等[15-16]通過水槽模型試驗(yàn)對(duì)6種不同高度的混凝土魚礁模型的流場特性進(jìn)行了對(duì)比。姜昭陽等[17-18]通過水槽試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及粒子圖像測速技術(shù)對(duì)人工魚礁模型各斷面壓力分布、流場效應(yīng)以及礁體的受力情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。佐藤修等[19]通過水槽模型試驗(yàn)研究了4種不同形狀魚礁的水動(dòng)力性能和其他系數(shù)?？傮w上，對(duì)框型人工魚礁在不同迎流角度與迎流速度的水動(dòng)力性能尚缺乏研究。

利用水槽模型試驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)的與改良后的兩種框型礁體在不同水流速度和迎流方式時(shí)的水動(dòng)力和安全性能進(jìn)行比較研究，探討礁體結(jié)構(gòu)的改變對(duì)水動(dòng)力性能的影響，為進(jìn)一步改良人工魚礁的穩(wěn)定性與防沉陷性能研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)物礁體有兩種(礁體A和礁體B，見圖1)。

都是以鋼筋混凝土為材料，查詢水力學(xué)表糙率為nf=0.014[20-22]。礁體A為邊長3 m的正方形框型魚礁，棱柱寬0.3 m，礁體內(nèi)部加入框架結(jié)構(gòu)，框架棱柱寬0.3 m；礁體B以礁體A為基礎(chǔ)，底部再加高1 m，加高部分棱柱寬0.3 m，各棱柱末端以平板連接，平板長3 m、寬3 m、厚0.2 m，平板中心為1 m×1 m的鏤空，相比礁體A，礁體B既增加了礁體底面積，減緩了礁體淤泥底質(zhì)環(huán)境的沉降速度，同時(shí)還增加了礁體高度，可保證沉降過程中礁體的有效高度。

兩種礁體的實(shí)物與模型參數(shù)見表1。

表1 兩種礁體的實(shí)物與模型參數(shù)

1.2 水槽試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在東京海洋大學(xué)(TUMST)的大型回流水槽中進(jìn)行。水槽的觀測部長9.0 m、寬2.2 m、水深1.6 m，水流速度可由變速裝置控制，可以在0～3 m/s之間變換。其中，魚礁模型試驗(yàn)均在中層水域進(jìn)行，以減弱流體池壁效應(yīng)與自由表面效應(yīng)的影響。試驗(yàn)時(shí)采用螺旋式流速計(jì)來測量流速，六分力測力儀來測量模型的升力與阻力。圖2為測量系統(tǒng)示意圖。

1.3 研究方法

1.3.1 水槽模型試驗(yàn)

對(duì)A、B兩種礁體模型，測量其在水平方向迎流角度為0°、15°、30°、45°時(shí)(圖3)，按照雷諾相似準(zhǔn)則計(jì)算出0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 m/s時(shí)的水動(dòng)力性能。在穩(wěn)定流速時(shí)，采集阻力值與升力值。

1.3.2 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的計(jì)算方法

礁體的迎流面積A：

A=P(cosθ+sinθ)

(1)

礁體的阻力系數(shù)Cd：

(2)

礁體的雷諾數(shù)Re：

(3)

式中：A為礁體迎流面積，m2；P為礁體正面迎流時(shí)的投影面積，m2；Cd為阻力系數(shù)；F為阻力，N；ρ為海水密度，一般取1 025 kg/m3；u0為海水流速，本試驗(yàn)中即為水流速度，m/s；Re為雷諾數(shù)；d為特征長度，m；v為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s。兩種礁體的實(shí)物與模型迎流面積見表2。

表2 兩種礁體的迎流面積

1.3.3 實(shí)物礁體作用力計(jì)算方法

人工魚礁礁體在一定流速下的流體作用力可分為拖曳力Fd和附加質(zhì)量力Fm兩部分，可以用數(shù)學(xué)形式表示成流速與流速導(dǎo)數(shù)的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)中村充[23]的研究，在無波浪的條件下，礁體所受的作用力F就等于拖曳力Fd：

(4)

式中：Cd為阻力系數(shù)，取礁體在流場中達(dá)到自動(dòng)模型區(qū)時(shí)的值，需要從試驗(yàn)中得出；ρ為海水密度，一般取1 025 kg/m3；A為礁體的迎流面積，m2。計(jì)算出的礁體作用力與實(shí)際測得作用力比較，根據(jù)中村充的研究[23]，模型礁體所受的作用力FM與實(shí)物礁體所受作用力FS的比值與流體密度、迎流面積、海流速度有關(guān)：

(5)

式中：ρS為海水密度，一般取1 025 kg/m3；ρM為水槽中的水密度，一般取1 000 kg/m3；AS為實(shí)物礁體迎流面積；AM為模型礁體迎流面積，m2；u0S為實(shí)物礁體的迎流速度，m/s；u0M為模型礁體的迎流速度，m/s。

1.3.4 礁體安全性校核計(jì)算公式

礁體在水流沖擊下不發(fā)生移動(dòng)，即礁體不滑動(dòng)，要求礁體與海底接觸面間的靜摩擦力大于流體作用力。靜摩擦力與最大流體作用力的比值稱為抗漂移系數(shù)S，該數(shù)值必須大于1，才能保證礁體不發(fā)生滑動(dòng)或漂移[24]。

礁體的抗滑移安全性校核計(jì)算公式為：

(6)

式中：W為礁體所受重力(N)，其中，礁體A所受重力WA=148 204 N，礁體B所受重力WB=207 288 N；ω0為海水密度，取1 025 kg/m3；σG為魚礁材料密度，取值1 900 kg/m3；μ為魚礁與底質(zhì)摩擦系數(shù)，一般情況下取0.5；F為礁體作用力，由式(3)得出。

礁體在波流作用下不發(fā)生翻滾，這就要求礁體的重力和浮力的合力矩M1大于波流最大作用力矩M2，M2與M1的比值稱為抗傾覆系數(shù)S，該數(shù)值必須大于1，才能保證礁體不發(fā)生傾覆[25-26]。

礁體的抗傾覆安全性校核計(jì)算公式為：

(7)

式中：L為翻轉(zhuǎn)中心到礁體中心的水平距離，m；h0為流體作用力的作用高度，m。

吳子岳等[27-28]研究認(rèn)為，結(jié)構(gòu)簡單且對(duì)稱的礁體可假設(shè)L為其邊長的1/2，F(xiàn)為礁體作用力由式(3)得出，h0為礁高的1/2。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由于水槽試驗(yàn)中不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，此次水槽試驗(yàn)采用求取平均值的方法來作為水槽試驗(yàn)的最終試驗(yàn)結(jié)果。并將試驗(yàn)結(jié)果代入式(4)，以求得礁體在不同流速、沖角下的作用力，計(jì)算得出抗滑移系數(shù)與抗傾覆系數(shù)。

2 水動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 礁體阻力與流速的關(guān)系

流速是影響礁體所受作用力的重要因素。針對(duì)兩種礁體、4種迎流方式，所測得的阻力與流速的關(guān)系如圖4與圖5所示。從兩圖中可以看出，不論是模型礁體A還是B，均能反映出人工魚礁模型的水阻力隨著流速增大而增大的規(guī)律，且兩者的變化趨勢基本相同。

當(dāng)迎流角度為0°、15°、30°、45°時(shí)，在5種流速(0.15、0.20、0.25、0.30和0.35 m/s)下，模型礁體B比A的水阻力分別高34.50%～51.49%、29.39%～40.10%、35.96%～43.16%、40.30%～45.06%、25.84%～30.33%，平均高40.95%、33.43%、38.72%、42.49%、27.67%。從平均差值可以看出，兩種模型礁體在迎流速度v=0.35 m/s時(shí)阻力差值明顯小于其他迎流速度下的阻力差值。

通過回歸分析，模型礁體A與B的阻力與流速的關(guān)系相似，礁體所受阻力與迎流速度的關(guān)系呈冪函數(shù)關(guān)系。從冪函數(shù)關(guān)系式種可以看出，在迎流角為0°、15°、30°、45°時(shí)，模型礁體B冪函數(shù)關(guān)系式的系數(shù)與指數(shù)都要比A的大；且A與B的冪函數(shù)關(guān)系相似，即都在沖角θ=30°時(shí)系數(shù)最大，指數(shù)隨沖角遞增而遞減。

2.2 礁體阻力與沖角的關(guān)系

沖角也是影響礁體所受作用力的重要因素。針對(duì)兩種礁體、5種迎流速度，所測得的阻力與流速的關(guān)系如圖6所示。從圖6中能反映出人工魚礁模型的水阻力隨著沖角增大而增大的規(guī)律，這與唐衍力等[29]的研究結(jié)果相似，且兩者所有速度隨沖角的變化趨勢基本相同，即：角度越大上升的斜率越低。無論是哪一種迎流方式，模型礁體B所受阻力都要大于A。

當(dāng)迎流速度為0.15、0.20、0.25、0.30和0.35 m/s時(shí)，在4種迎流角度(0°、15°、30°、45°)下，模型礁體B比A水阻力分別高30.33%～51.49%、27.94%～43.55%、25.84%～41.04%、26.58%～40.30%，平均高42.03%、36.82%、34.22%、33.55%。從平均差值可以看出，兩種模型礁體的阻力差比值隨沖角遞增而遞減。

2.3 礁體阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

模型礁體A與B在不同迎流角度下的阻力系數(shù)和雷諾數(shù)關(guān)系曲線如圖7所示。

可以發(fā)現(xiàn)兩種模型礁體阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系在4種迎流方式下都相似。當(dāng)阻力系數(shù)Cd隨著雷諾數(shù)Re的增加基本保持穩(wěn)定，即可認(rèn)為進(jìn)入自動(dòng)模型區(qū)域[30]。因此，當(dāng)兩種礁體模型在迎流方式為θ=0°時(shí)，模型礁體A的阻力系數(shù)Cd=2.03，B的Cd=2.10，其自動(dòng)模型區(qū)域?yàn)镽e>3×104；當(dāng)兩種礁體模型在迎流方式為θ=15°時(shí)，模型礁體A的阻力系數(shù)Cd=2.13，B的Cd=2.13，其自動(dòng)模型區(qū)域?yàn)镽e>3.20×104；當(dāng)兩種礁體模型在迎流方式為θ=30°時(shí)，模型礁體A的阻力系數(shù)Cd=2.22，B的Cd=2.22，其自動(dòng)模型區(qū)域?yàn)镽e>3.25×104；當(dāng)兩種礁體模型在迎流方式為θ=45°時(shí)，阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)Re的增加在試驗(yàn)范圍內(nèi)仍處于遞減的趨勢，因此對(duì)后三點(diǎn)采用插值法并估計(jì)自動(dòng)模型區(qū)域?yàn)镽e>4×104，所得模型礁體A的阻力系數(shù)Cd=2.18，B的Cd=2.16。

2.4 礁體的阻力系數(shù)與沖角的關(guān)系

模型礁體A和B的阻力系數(shù)與沖角的關(guān)系如圖8、圖9所示。

均能反映出阻力系數(shù)隨沖角增大而增大的規(guī)律，但在大部分情況下，當(dāng)沖角θ>15°后隨著沖角變大，其上升的效率降低，甚至在迎流速度v=0.35 m/s、沖角θ=45°時(shí)的阻力系數(shù)比θ=30°時(shí)的還要低；在數(shù)值上，各流速下礁體的阻力系數(shù)在沖角15°時(shí)差異最小，在沖角θ=45°時(shí)數(shù)值差異最大。

3 實(shí)物礁體安全性能校核

3.1 礁體作用力計(jì)算

將模型礁體A和B通過試驗(yàn)所測得的在迎流速度v= 0.35 m/s時(shí)的阻力值與實(shí)物礁體的計(jì)算阻力值、沖角在0°、15°、30°、45°時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較(表3)，可以發(fā)現(xiàn)兩種礁體的實(shí)際阻力值小于計(jì)算阻力值。模型礁體A的相對(duì)誤差小于3%，差異不大；模型礁體B的相對(duì)誤差約6%，差異較大。

表3 兩種模型礁體的試驗(yàn)阻力與計(jì)算阻力結(jié)果比較

3.2 礁體抗滑移的安全性分析

實(shí)物礁體A、B的抗滑移系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4、表5?？梢园l(fā)現(xiàn)，礁體A與礁體B在實(shí)際沖角0～45°之間、海水流速≤3節(jié)時(shí)，S值均遠(yuǎn)>1.2，是相當(dāng)安全的[31]；當(dāng)海水流速=4節(jié)、沖角≥30°時(shí)，1

表4 實(shí)物礁體A抗滑移系數(shù)

表5 實(shí)物礁體B抗滑移系數(shù)

3.3 礁體抗傾覆安全性分析

實(shí)物礁體A和B的抗傾覆系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6、表7?？梢钥闯觯瑑烧呔从吵隹箖A覆系數(shù)隨著沖角增大而增大的規(guī)律，但由于抗傾覆系數(shù)皆大于1.2，因此可以判斷，礁體A、B在此海域不會(huì)發(fā)生傾覆。

表6 實(shí)物礁體A抗傾覆系數(shù)

表7 實(shí)物礁體B抗傾覆系數(shù)

4 結(jié)論

通過水槽試驗(yàn)和安全性分析，探究框架型人工魚礁的水動(dòng)力性能。在礁體高度增加40%及底部結(jié)構(gòu)改變的情況下，兩種礁體的阻力系數(shù)在相同雷諾數(shù)時(shí)相似；兩種礁體在不同工況的阻力均與流速呈冪函數(shù)關(guān)系；低流速時(shí)阻力系數(shù)隨沖角增加而增加，可能是超過一定流速、沖角時(shí)，形狀對(duì)阻力的影響超過了黏性對(duì)阻力的影響，這還需進(jìn)一步研究。改良后礁體抗滑移、抗傾覆能力與改良前相似，但底部結(jié)構(gòu)的改變，使得改良后礁體的防沉陷性能更加突出，達(dá)到了改良的目的。但是，底部結(jié)構(gòu)與礁高的改變是否會(huì)帶來流場效應(yīng)的改變，尚未研究，今后將使用數(shù)值模擬相關(guān)軟件進(jìn)行比較研究。

□