魏麗瑩，張寧川＊

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

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于人工魚礁的相關(guān)研究多是從不同結(jié)構(gòu)型式、不同來(lái)流速度和迎流角度等條件下對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬或試驗(yàn)。其中人工魚礁的結(jié)構(gòu)類型豐富，并且針對(duì)特定的人工魚礁結(jié)構(gòu)，可以對(duì)特有的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如人工魚礁的單體開口比、開孔方式等。除單礁體模型的研究外，多礁體模型中不同礁體之間的布設(shè)間距和布置方式成為影響流場(chǎng)效應(yīng)的重要因素。由此可見，人工魚礁的結(jié)構(gòu)型式、特有的相關(guān)參數(shù)、礁體之間的布設(shè)間距和布置方式以及投放的外部環(huán)境均會(huì)影響到人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)[1-5]。六角型人工魚礁是一種新型魚礁結(jié)構(gòu)型式，由六邊形多層結(jié)構(gòu)框架、傾斜導(dǎo)流板和支撐腳組成。六角型人工魚礁構(gòu)造復(fù)雜，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空腔較大，其透水特性使得水流在通過結(jié)構(gòu)整體時(shí)不會(huì)顯著地沿著固定邊界剝離，有效減小旋渦結(jié)構(gòu)的生成，更易于構(gòu)造適宜魚類生存的柔和流場(chǎng)。但相關(guān)六角型人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的研究文獻(xiàn)較少，故本文對(duì)六角型人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行研究。

考慮到Fluent 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理現(xiàn)象的模擬與分析，如流體流動(dòng)、熱交換等。同時(shí)，還可以對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行后處理，包括速度、壓力等。因此，本文基于Fluent軟件研究不同水動(dòng)力條件對(duì)六角型人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響，旨在為評(píng)估人工魚礁產(chǎn)生的流場(chǎng)效應(yīng)提供參考。

1 數(shù)值模型建立

1.1 人工魚礁模型及位置坐標(biāo)系

礁體采用框架結(jié)構(gòu)，整體由多層框架、傾斜導(dǎo)流板和支撐腳組成。礁體模型見圖1。

圖1 六角型人工魚礁

坐標(biāo)系原點(diǎn)位于水底六角型魚礁幾何中心處，按照左手螺旋法則定義笛卡爾坐標(biāo)系。

圖2 位置坐標(biāo)系

1.2 控制方程及邊界條件

人工魚礁水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型的基本方程為連續(xù)方程與動(dòng)量守恒方程。

數(shù)值水槽的左邊界設(shè)置為速度入口邊界條件；上方邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界條件；右端邊界設(shè)置為自由出流邊界條件；水槽的底部及兩側(cè)邊界設(shè)置為壁面邊界條件。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用FLUENT的Meshing模塊對(duì)水槽進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格選用六面體核心非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)人工魚礁處網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模型驗(yàn)證

劉揚(yáng)采用物理試驗(yàn)的方法對(duì)六角型人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了研究[6]，本文對(duì)該試驗(yàn)條件進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)圖4和圖5可知，試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法下上升流和緩流區(qū)域的面積結(jié)果差別不大，從而驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

圖4 上升流區(qū)域面積隨水流流速變化

圖5 緩流區(qū)域面積隨水流流速變化

3 計(jì)算結(jié)果與分析

定義上升流區(qū)域?yàn)榇瓜蛩俣确至颗c來(lái)流速度之比≧10%的區(qū)域，緩流區(qū)域?yàn)樗较蛩俣确至颗c來(lái)流速度之比≦70%的區(qū)域。研究考慮水流的流速和流向兩個(gè)參數(shù)對(duì)六角型人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響。其中，流速為0.5～4.0m/s、流向?yàn)?～30°、礁高3m、魚礁外部直徑6m、水深10m。

3.1 來(lái)流流速對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響

圖6 流場(chǎng)效應(yīng)隨水流流速變化（上升流區(qū)域）

圖7 流場(chǎng)效應(yīng)隨水流流速變化（緩流區(qū)域）

由圖可知： 隨著水流流速的增加，上升流區(qū)域的面積呈現(xiàn)出先增加再減少的趨勢(shì)；緩流區(qū)域相對(duì)面積的變化趨勢(shì)并不明顯。其中，水流流速為0.5m/s 時(shí)，產(chǎn)生的緩流區(qū)域的相對(duì)長(zhǎng)度和相對(duì)面積最大。

3.2 來(lái)流流向?qū)α鲌?chǎng)效應(yīng)的影響

圖8 流場(chǎng)效應(yīng)隨水流流向變化（上升流區(qū)域）

圖9 流場(chǎng)效應(yīng)隨水流流向變化（緩流區(qū)域）

由圖可知：隨著流向角度的增加，上升流的相對(duì)高度和面積均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；緩流區(qū)域的相對(duì)長(zhǎng)度和面積下降趨勢(shì)顯著。緩流區(qū)域長(zhǎng)度的變化范圍約為5～6倍的魚礁長(zhǎng)度，面積約為2～3 倍的魚礁面積。其中，流向角度為0°時(shí)，緩流區(qū)域的相對(duì)長(zhǎng)度和相對(duì)面積最大。

4 結(jié)論

本文基于Fluent 軟件，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)六角型人工魚礁周圍流場(chǎng)進(jìn)行模擬，在水流條件下討論了水流的流向和流速對(duì)六角型人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響。

（1）當(dāng)水流流速在0.5m/s～4.0m/s 范圍內(nèi)變化時(shí)，上升流的相對(duì)面積在1.9～2.0 范圍內(nèi)變化，緩流區(qū)域的面積約為來(lái)流向魚礁投影面積的3～4 倍。其中，水流流速為0.5m/s 時(shí)，產(chǎn)生的緩流區(qū)域的相對(duì)長(zhǎng)度和相對(duì)面積最大。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中魚礁應(yīng)投放在水流較緩的海域。

（2）當(dāng)流向角度為0°～30°時(shí)，緩流區(qū)域長(zhǎng)度的變化范圍約為5～6 倍的魚礁長(zhǎng)度，面積約為2～3倍的魚礁面積。上升流區(qū)域和緩流區(qū)域的相對(duì)面積均隨著流向角度的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，其中，流向角度為0°時(shí)產(chǎn)生的上升流區(qū)域和緩流區(qū)域的相對(duì)面積最大。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中魚礁應(yīng)迎流擺放。