胡 聰,毛海英*,王開睿

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,廣西 柳州 545000;2.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院,山東 青島 266100)

人工魚礁的設(shè)置可以修復(fù)天然水域中的海水環(huán)境,優(yōu)化流場(chǎng)效應(yīng),為魚蝦等海洋生物營(yíng)造良好的棲息環(huán)境。而上升流、渦流和背渦流等流場(chǎng)效應(yīng)的改變使得水體周圍養(yǎng)分的交換更頻繁,可修復(fù)及改善海洋生態(tài)系統(tǒng),極大提高海洋養(yǎng)分肥沃度,達(dá)到漁業(yè)資源增殖及保護(hù)的目的。

近年來(lái),諸多學(xué)者主要采用水槽模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對(duì)魚礁體水動(dòng)力特性進(jìn)行了大量的研究。水槽模型實(shí)驗(yàn)是人工魚礁水動(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。Christopher和Chou[1]以及Sanchez-Jerez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礁體的集魚作用。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上升流的變化。蔣為等[4]、張碩等[5]和Li等[6]采用粒子圖像測(cè)速實(shí)驗(yàn)(Particle Image Velocimetry,PIV),通過(guò)改變不同水流速度和人工魚礁體迎流角度,研究人工魚礁體產(chǎn)生的上升流及背渦流的變化規(guī)律。目前,計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件已廣泛應(yīng)用于人工魚礁水動(dòng)力數(shù)值模擬,可三維動(dòng)態(tài)反映水流形態(tài),數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)快捷可靠。不同學(xué)者研究了立方體框架[7]、米字型[8]、圓臺(tái)型[9]、三棱體[10]、梯形臺(tái)[11]等人工魚礁體對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響。部分學(xué)者研究了單個(gè)礁體的開口比[12-13]、單個(gè)礁體的開口直徑[14]、多個(gè)礁體的布設(shè)間距及組合方式[15-16]等因素對(duì)人工魚礁體周圍流場(chǎng)特性的影響,為單個(gè)礁體構(gòu)造、礁體組合方式布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

本文研究了圓筒型人工魚礁體的水動(dòng)力特性,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可信度,開展了不同縱橫布設(shè)間距下圓筒型魚礁體的水動(dòng)力特性研究,并計(jì)算了上升流最大高度、上升流水平跨度、上升流體積和阻力系數(shù),分析其產(chǎn)生原理及變化規(guī)律,給出了適宜的排列方式及布設(shè)間距的距離,為海洋養(yǎng)殖增產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)礁體

本研究所用的圓筒型人工魚礁體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示,底層設(shè)置了8個(gè)鋸齒狀弧形柵格,呈對(duì)稱分布,原型礁體底面齒狀外邊緣圓直徑為3.3 m,頂面外邊緣圓直徑為2.7 m,上下圓面平均直徑為3.0 m,實(shí)驗(yàn)礁體底面齒狀外邊緣圓直徑為16.5 cm,頂面外邊緣圓直徑為13.5 cm,上下圓面平均直徑為15 cm,開口比(迎流面開口沿水流垂直方向投影面積與迎流面面積的比值)φ=0.1,物理模型比尺λ=20。生產(chǎn)性魚礁采用混凝土材料,其中混凝土糙率n實(shí)=0.014 0。根據(jù)水力相似準(zhǔn)則,當(dāng)λ=20時(shí),模型的糙率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,模型采用有機(jī)玻璃加工,滿足糙率要求。

圖1 圓筒型人工魚礁體結(jié)構(gòu)尺寸(cm)Fig.1 Structural dimensions of the cylindrical artificial reefs(cm)

1.2 魚礁體水槽模型

圖2為圓筒型魚礁水槽模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。長(zhǎng)2 m、直徑為1 cm的連接桿的一端與測(cè)力儀連接,另一端與圓筒型人工魚礁體連接,垂直放置在水槽中央,并使圓筒型人工魚礁體模型與水槽底部留有微小縫隙但確保不觸底(以免影響測(cè)力計(jì)讀數(shù))。采用挪威諾泰克公司生產(chǎn)的Vectrino小威龍點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimetry,ADV)進(jìn)行流速測(cè)量,將ADV水平放置于圓筒型魚礁體前0.6 m處,探頭垂直位置高于礁體中心位置5 cm(采樣體位于探頭下方5 cm處),等到流速穩(wěn)定后移動(dòng)流速儀測(cè)量礁體周圍測(cè)點(diǎn)的流速,每個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)3次,取其平均值作為該測(cè)點(diǎn)的流速測(cè)量值。

圖2 圓筒型魚礁水槽模型實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Device for water tank model experiment of the cylindrical artificial reefs

原型礁體迎流面前方0.6 m處流速為0.8 m/s,根據(jù)重力相似準(zhǔn)則,計(jì)算得到該位置實(shí)驗(yàn)流速為0.179 m/s。待礁體前0.6 m處實(shí)驗(yàn)流速穩(wěn)定后,測(cè)量坐標(biāo)為A1B1、A2B1、A3B1、A4B1、A5B1和A6B1的流速測(cè)點(diǎn)的流速(圖3)。礁體縱向間距(S)為1.0L和2.0L(L為礁體長(zhǎng)度)時(shí)測(cè)點(diǎn)的布置如圖3所示。

圖3 不同縱向布設(shè)間距下測(cè)點(diǎn)布置圖(cm)Fig.3 The layout of measuring points under different longitudinal spacing(cm)

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 控制方程

多數(shù)物體周圍流體的流動(dòng)都屬于湍流,湍流是一種非穩(wěn)定的復(fù)雜且不規(guī)則的三維流動(dòng),本研究中控制方程采用不可壓縮流體、溫度恒定下的連續(xù)方程和動(dòng)量方程,而湍流模型選用常用的RNGk-ε模型。其控制方程如下:

1)連續(xù)方程:

2)動(dòng)量方程:

式中:U i為流量;i=1、2、3,j=1、2、3,i≠j,i和j分別代表x、y和z方向;u i和u j均為x、y和z方向的雷諾平均速度;ρ為流體密度;p為壓強(qiáng);ν為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);為未知的雷諾應(yīng)力項(xiàng);f i為體積力;t為時(shí)間。

圓筒型魚礁體周圍流線變化幅度較大,且存在高應(yīng)變率流動(dòng),故采用RNGk-ε湍流模型,該模型可較好模擬近壁區(qū)內(nèi)及雷諾數(shù)Re較低的流動(dòng)。其控制方程如下:

1)湍動(dòng)能(k)方程:

2)湍流耗散率(ε)方程:

式中:μeff為有效黏性系數(shù),μeff=μ+μt,其中μt為湍動(dòng)黏度系數(shù),,Cμ=0.084 5;G k為由于平均流速梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng),G k=2μt E ij E ij,其中E ij為時(shí)均應(yīng)變率,;為附加項(xiàng),;經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C1ε=1.42,C2ε=1.68;有效普朗特?cái)?shù)αk=αε=1.39;熱膨脹系數(shù)β=0.012。

1.3.2 水動(dòng)力計(jì)算域

水動(dòng)力計(jì)算中,圓筒型魚礁體選取0.5L、1.0L、1.5L和2.0L(L取圓筒型魚礁體上下圓面平均直徑3.0 m)四種橫向(垂直水流方向)布設(shè)間距T,選取0.5L、1.0L、2.0L、3.0L、4.0L和5.0L六種縱向(順?biāo)鞣较?布設(shè)間距S,來(lái)流速度選取0.8 m/s。圖4給出了橫向布設(shè)間距為2.0L時(shí)的流場(chǎng)計(jì)算域示意圖。

圖4 橫向布設(shè)間距為2.0L時(shí)流場(chǎng)計(jì)算域示意圖Fig.4 The calculation domain of the flow field under the transverse layout spacing of 2.0L

2 水動(dòng)力特性研究

2.1 模型可靠性驗(yàn)證

本文實(shí)測(cè)了圓筒型人工魚礁體在縱向布設(shè)間距1.0L和2.0L礁體長(zhǎng)度下的流場(chǎng)及受力特性,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,圖5給出了縱向布設(shè)間距為1.0L和2.0L的礁體測(cè)點(diǎn)流速模擬換算值(即流速模擬值/λ,λ=20)與實(shí)驗(yàn)值的比較結(jié)果。

圖5 雙礁體不同縱向布設(shè)間距下測(cè)點(diǎn)流速數(shù)值模擬換算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.5 Comparison between the numerical simulation conversion values and the experimental values of the flow velocity at measuring points under different longitudinal layout spacing of double reefs

當(dāng)圓筒型雙礁體縱向間距為1.0L時(shí),前方測(cè)點(diǎn)無(wú)遮擋,受到水流擾動(dòng)較小,測(cè)點(diǎn)A1B1、A2B1、A3B1處流速計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差較小,測(cè)點(diǎn)A4B1受到后方礁體與實(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)量讀數(shù)3次,取其平均值作為該測(cè)點(diǎn)的流速測(cè)量值,測(cè)量誤差為7.2%,隨著距離的增加,測(cè)點(diǎn)A5B1、A6B1處流速模擬值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差較小。當(dāng)圓筒型雙礁體縱向間距為2.0L時(shí),前后礁體距離較遠(yuǎn),實(shí)驗(yàn)螺桿的擾動(dòng)作用相對(duì)較小,測(cè)量誤差為4.1%,計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值符合度較好。

考慮圓筒型魚礁體在來(lái)流速度不變時(shí)的受力情況,此時(shí)阻力系數(shù)Cd計(jì)算式如下:

式中:F為順?biāo)飨蜃枇?N);A為礁體迎流面積(m2);ρ為海水密度(kg/m3);u為水流速度(m/s)。

表1給出了前方礁體阻力系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果。由表1可見,前方礁體阻力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較,當(dāng)圓筒型雙礁體縱向間距為1.0L時(shí),計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差為5.08%(計(jì)算值小于實(shí)驗(yàn)值),由于前方礁體與后方礁體距離較近,遮流作用較為明顯,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)值計(jì)算值稍大。當(dāng)圓筒型雙礁體間距增大到2.0L時(shí),后面礁體擾流現(xiàn)象有所減輕,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差為2.67%(計(jì)算值小于實(shí)驗(yàn)值),計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較吻合。

表1 前方礁體阻力系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Table 1 Comparison between the numerical simulations and the experimental values of the front reef resistance coefficient

2.2 流場(chǎng)形態(tài)

本文選取上升流最大高度、上升流水平跨度和上升流體積指標(biāo),來(lái)反映圓筒型人工魚礁體不同縱橫間距組合下的水動(dòng)力特性,其中上升流為垂向速度與來(lái)流速度的占比大于或等于5%的流速。

圖6為不同橫向布設(shè)間距的圓筒型雙礁體斷面速度云圖,雙礁體流速特性對(duì)稱分布,雙礁體前方存在一定的緩流區(qū),流速范圍為0.7～0.8 m/s,圓筒型雙礁體急流區(qū)范圍與布設(shè)間距的大小成正比,橫向布設(shè)距離大于1.5L,圓筒型雙礁體急流區(qū)范圍趨于穩(wěn)定。表2給出了不同橫向布設(shè)間距的上升流特性參數(shù),高礁比(上升流最大高度/礁高)、跨礁比(上升流水平跨度/礁長(zhǎng))均隨著橫向布設(shè)間距的增大而減小,上升流體積隨著橫向布設(shè)間距先減小后增大;橫向布設(shè)距離為0.5L時(shí),上升流最大高度達(dá)到礁體高度的2.58倍,橫向布設(shè)距離為2.0L時(shí),上升流體積達(dá)到最大值593.44 m3。

圖6 雙礁體不同橫向布設(shè)間距斷面速度云圖(y=1.5 m)Fig.6 Section speed cloud map under different transverse layout spacing of the double reefs(y=1.5 m)

表2 不同橫向布設(shè)間距下上升流特征參數(shù)比較Table 2 Comparison of upwelling feature parameters under different transverse layout spacing

圖7為不同縱向布設(shè)間距的圓筒型雙礁體斷面速度云圖。當(dāng)縱向布設(shè)間距小于2.0L時(shí),后方礁體在前方礁體水動(dòng)力影響范圍內(nèi),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)縱向布設(shè)間距為2.0L～4.0L時(shí),隨著礁體距離增大,前方礁體對(duì)后方礁體影響逐漸變小;當(dāng)縱向布設(shè)間距為4.0L～5.0L時(shí),后方礁體逐漸離開前方礁體影響區(qū)域;當(dāng)縱向布設(shè)間距為4.0L時(shí)達(dá)到變化拐點(diǎn),后方礁體上方上升流影響范圍逐漸增大且逐漸區(qū)域穩(wěn)定。表3給出了不同縱向布設(shè)間距的上升流特性參數(shù),縱向布設(shè)高礁比隨著縱向布設(shè)間距的增大而減小;跨礁比和上升流體積隨著縱向間距的增大而增大,但當(dāng)縱向布設(shè)間距大于4.0L時(shí),數(shù)值增幅趨于平緩,當(dāng)縱向布設(shè)間距為4.0L時(shí),流場(chǎng)效應(yīng)較好。

表3 不同縱向布設(shè)間距下上升流特征參數(shù)比較Table 3 Comparison of upwelling feature parameters under different longitudinal layout spacing

圖7 雙礁體不同縱向布設(shè)間距斷面速度云圖Fig.7 Section speed cloud map under different longitudinal layout spacing of the double reefs

2.3 阻力系數(shù)

橫向布設(shè)下魚礁體在水體中對(duì)稱布置,左右魚礁體的阻力系數(shù)相同,為了研究橫向布設(shè)間距時(shí)雙礁體阻力系數(shù)的變化規(guī)律,引入了左側(cè)礁體和右側(cè)礁體的平均阻力系數(shù),求得雙礁體橫向阻力系數(shù)kH:

式中:Cd為單礁體的阻力系數(shù)。

雙礁體kH隨橫向布設(shè)間距的變化情況如圖8所示,雙礁體橫向阻力系數(shù)隨著橫向布設(shè)間距的增大而減小。當(dāng)橫向布設(shè)間距為2.0L時(shí),已經(jīng)接近單礁體的阻力系數(shù)Cd;當(dāng)雙礁體橫向布設(shè)間距大于2.0L時(shí),隨著橫向布設(shè)間距的增大,礁體之間的影響效應(yīng)已經(jīng)很小。

圖8 雙礁體橫向阻力系數(shù)隨橫向布設(shè)間距的變化Fig.8 Changes of kH with transverse layout spacing under the case of double reefs

縱向布設(shè)下前方礁體與后方礁體的阻力系數(shù)差異較大,如圖9所示。前方礁體阻力系數(shù)隨著縱向布設(shè)間距的先減小后增大,但變化幅度不大,后方礁體阻力系數(shù)隨著縱向布設(shè)間距的增大而增大,變化幅度較大,并逐漸接近單礁體的阻力系數(shù)為0.865。當(dāng)雙礁體距離為5.0L時(shí),后方礁體阻力系數(shù)已達(dá)到0.701;當(dāng)雙礁體距離大于4.0L時(shí),隨著縱向布設(shè)間距的增大,礁體之間的影響效應(yīng)已經(jīng)很小。

圖9 雙礁體阻力系數(shù)隨縱向布設(shè)間距的變化Fig.9 Changes of Cd with longitudinal layout spacing under the case of double reefs

3 結(jié) 論

本文實(shí)測(cè)了圓筒型人工魚礁體在縱向布設(shè)間距1.0L和2.0L礁體長(zhǎng)度下的流場(chǎng)及受力特性,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,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較吻合,得到主要結(jié)論如下:

1)橫向布設(shè)下,隨著橫向布設(shè)間距的增大,上升流最大高度及水平跨度逐漸減小,上升流體積變化無(wú)明顯規(guī)律,當(dāng)橫向布設(shè)間距為0.5L時(shí),上升流最大高度最高,橫向布設(shè)間距為2.0L時(shí),上升流體積最大。隨著橫向布設(shè)間距的增大,雙礁體橫向阻力影響系數(shù)隨著橫向間距的增大而減小,當(dāng)雙礁體距離大于2.0L時(shí),隨著距離的增大,礁體之間的影響效應(yīng)已經(jīng)很小。

2)縱向布設(shè)下,隨著縱向布設(shè)間距的增大,上升流最大高度逐漸減小,上升流水平跨度和上升流體積隨著間距的增大而增大,縱向布設(shè)間距為4.0L～5.0L時(shí),增加幅度變緩,前方礁體阻力影響系數(shù)隨著縱向布設(shè)間距的增大先減小后增大,但變化幅度不大,后方礁體阻力系數(shù)隨著縱向布設(shè)間距的增大而增大,變化幅度較大,當(dāng)雙礁體縱向布設(shè)間距大于4.0L時(shí),隨著距離的增大,礁體之間的影響效應(yīng)已經(jīng)很小。

綜上所述,人工礁體在不同的橫向和縱向布設(shè)間距下,礁體周圍流場(chǎng)的分布以及礁體自身阻力系數(shù)都會(huì)發(fā)生變化,但是變化的趨勢(shì)有所不同。本研究可為今后人工魚礁體群投放時(shí)礁體間距的選擇提供有力的依據(jù)。