人工魚礁開口比和迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的雙因素方差分析

付東偉,欒曙光,張瑞瑾,陳勇

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧大連116023;3.遼寧省高校近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023;4.大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場(chǎng)工程技術(shù)研究中心,遼寧大連116023)

人工魚礁開口比和迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的雙因素方差分析

付東偉1,欒曙光1,張瑞瑾2、3,陳勇4

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧大連116023;3.遼寧省高校近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023;4.大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場(chǎng)工程技術(shù)研究中心,遼寧大連116023)

采用基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型的方法對(duì)人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬,選取單體人工魚礁模擬近岸海域的魚礁流場(chǎng),對(duì)其附近流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬,在此基礎(chǔ)上應(yīng)用雙因素方差分析法分析了人工魚礁開口比和迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響。結(jié)果表明:人工魚礁開口比是魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的主要影響因素,開口比越小,水流受魚礁阻隔程度越大,礁前上升流流速越大,背渦流紊流區(qū)域越明顯,背渦流區(qū)域就越長(zhǎng);魚礁迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響次之。

人工魚礁;開口比;迎流面形狀;雙因素方差分析;流場(chǎng)效應(yīng)

近些年,由于過度捕撈和環(huán)境污染的影響,漁業(yè)資源逐漸衰退,因而世界各國(guó)加大了對(duì)漁業(yè)資源的修復(fù)與保護(hù)力度。實(shí)踐證明,人工魚礁(簡(jiǎn)稱魚礁)投放后會(huì)形成新的水域生態(tài)環(huán)境,對(duì)水生生物的繁殖和生長(zhǎng)起著重要作用。隨著魚礁的大量投放,人們對(duì)魚礁及其周圍流場(chǎng)的研究也逐漸展開,主要集中在兩個(gè)方面[1]:一是流體力學(xué)因素,研究了魚礁投放后,海流所引起的礁體滑移、傾覆、沉陷和掩埋[2-4],即魚礁的物理穩(wěn)定性問題;二是空間幾何因素,研究了礁體布局時(shí)的空間組合,即如何利用魚礁模型不同的排列方式改變流場(chǎng)特征,提高魚礁的集魚效果[5-9]。

劉洪生等[7]和劉同渝[2]分別對(duì)實(shí)體與空心魚礁流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了研究,并得出以下結(jié)論:相同來流速度下,實(shí)體魚礁模型產(chǎn)生的流場(chǎng)效應(yīng)顯著,空心模型背渦流回流速度隨模型空隙率的增大而減小;堆疊式魚礁模型形成的各種流態(tài)最大,梯形魚礁次之,半球形和三角錐體魚礁最小。目前尚未見到有關(guān)人工魚礁開口比和迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響程度的報(bào)道。本研究中,作者通過數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)流速較大的近岸海域進(jìn)行定量數(shù)值模擬研究,應(yīng)用雙因素方差分析法討論了單體人工魚礁的開口比和迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響,以期為魚礁形狀的選取和魚礁的合理布局提供參考資料。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

根據(jù)對(duì)魚礁周圍流體特性的分析,作出基本假設(shè):1)海水為不可壓縮、定常、黏性流體;2)不考慮流場(chǎng)中的溫度變化;3)流體為牛頓流體。

1.2 流體動(dòng)力學(xué)控制方程[10]

數(shù)值計(jì)算遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律,不可壓縮流體的控制方程為連續(xù)方程和動(dòng)量守恒方程(Navier-Stokes方程,簡(jiǎn)稱N-S方程),分別為式中:u、v和w分別為X、Y和Z方向的速度分量;t為時(shí)間;ρ為密度;u為速度矢量;μ為動(dòng)力黏度;p為壓強(qiáng);div為散度;grad為梯度;Su、Sv和Sw均為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

1.3 湍流的控制方程

在關(guān)于湍動(dòng)能κ方程的基礎(chǔ)上,再引入一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)耗散率ε的方程,便形成了κ-ε兩方程模型,稱為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。

標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型中湍動(dòng)能κ和耗散率ε的方程如下:

式中:Gk表示由平均流速梯度引起的湍動(dòng)能;Gb表示由浮力影響引起的湍動(dòng)能;YM為可壓湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響;湍流黏性系數(shù)μi=ρck2/ ε;C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09;湍動(dòng)能κ與耗散率ε的湍流普朗特系數(shù)分別為σk=1.0,σε= 1.3。

2 試件及邊界條件

迎流面即魚礁在垂直于水流方向的表面形狀。模型A迎流面為平面,與水流方向垂直;模型B迎流面為圓弧形,其各點(diǎn)切面與水流夾角的變化范圍為0°～90°;模型C迎流面為斜向組合面,與水流方向的夾角為45°(圖1)。

圖1 人工魚礁模型Fig.1 Models of artificial reefs

開口比即魚礁迎流面在垂直于水流方向孔洞的投影面積與迎流面全投影面積的比值,孔洞均位于試件迎流面的形心處。本研究中設(shè)定開口比分別為0、0.2、0.4、0.6,則開口的邊長(zhǎng)分別為0、0.9、1.3、1.5 m。模型A、B、C外輪廓尺寸均為2 m× 2 m×2 m。

本研究中模擬近岸海域水深為20 m、水流速度為2 m/s狀態(tài)下單體人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng),其中100 m×30 m×20 m水體流場(chǎng)上邊界選為對(duì)稱邊界,左邊界為入口邊界,右邊界為出口邊界。海底及魚礁壁面為靜止固定邊界,摩擦系數(shù)為0.5。

3 結(jié)果與討論

3.1 流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

當(dāng)魚礁置于近岸海底后,阻擋了潮汐運(yùn)動(dòng)所形成的往復(fù)流,在魚礁迎流面產(chǎn)生上升流,在背流面產(chǎn)生背渦流。上升流能夠促進(jìn)上下層海水的交換,增加了水體的溶氧量,促進(jìn)了海底營(yíng)養(yǎng)鹽的泛起、擴(kuò)散,能夠增加海域的肥沃度;背渦流區(qū)域水流流速減小,可使餌料生物聚集,有利于附著生物的孳生,可以觀察到明顯的海底物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽的沉積[11]。

虞聰達(dá)等[6]對(duì)人工船礁的研究表明:魚礁產(chǎn)生的最大上升流流速為來流流速的0.05～0.15倍。所以將垂直方向的流速分量大于0.1倍的來流流速的區(qū)域定義為上升流區(qū)域[12]。背渦流水平跨度是流影區(qū)域在來流方向的長(zhǎng)度。本研究中,將上升流流速和背渦流的水平跨度作為魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。上升流流速越大,背渦流水平跨度越長(zhǎng),流場(chǎng)效應(yīng)就越顯著。

3.2 魚礁開口比和迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響

計(jì)算結(jié)果顯示:開口比為0時(shí),背渦流水平跨度為3.5 m,渦旋區(qū)域明顯;開口比為0.6時(shí),背渦流水平跨度近似為0,渦旋區(qū)域消失。開口比越小,上升流流速與來流流速的比值越大,礁后的緩流區(qū)域也就越大,背渦流的流速就越小,并呈現(xiàn)反向流的渦旋區(qū)域。隨著開口比的增大,礁后的緩流區(qū)域呈現(xiàn)逐漸收斂趨勢(shì),流速的等值線越發(fā)密集,流速增大,反向流的渦旋區(qū)域逐漸消失(圖2)。

從圖3可見:在恒定流速為2 m/s的水域中,當(dāng)開口比為0時(shí),模型A的上升流流速為1.14 m/s,與來流流速的比值為0.57,模型B和模型C的上升流流速分別為0.78 m/s和0.65 m/s,與來流流速的比值分別為0.39和0.33;當(dāng)開口比由0增至0.6時(shí),最大上升流流速與來流流速的比值均逐漸降低。

從圖4可見,開口比由0增至0.6時(shí),背渦流的水平跨度急劇減小。當(dāng)開口比為0時(shí),模型A的背渦流水平跨度為3.5 m,模型B、C的背渦流水平跨度均為2.8 m;當(dāng)開口比為0.6時(shí),模型A、B、C的背渦流區(qū)域均消失。

圖2 三組魚礁模型在Y=0 m的平面內(nèi)的速度矢量圖Fig.2 The velocity vector diagrams of three categories of artificial reefs models when Y=0 m

圖3 上升流流速與來流流速比值隨開口比的變化Fig.3 The curves of ratio between upward flowing speed and incoming flowing speed with different cut-opening ratios

圖4 背渦流的水平跨度隨開口比的變化Fig.4 The curves in horizontal span of reverse vortex with different cut-opening ratios

圖3 和圖4還反映出開口比相同時(shí)迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響程度。即模型A的上升流流速和背渦流的水平跨度均呈現(xiàn)較大值,模型B次之,模型C最小。說明與水流方向垂直的迎流面形狀產(chǎn)生了較好的流場(chǎng)效應(yīng)。模型A、B、C產(chǎn)生的上升流平均流速分別為0.80、0.578、0.47 m/s。劉洪生等[7]的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明,不同礁體產(chǎn)生的平均上升流流速為來流速度的0.3倍,本研究結(jié)果與此結(jié)果基本吻合。

3.3 魚礁開口比和迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的雙因素方差分析

本研究中,采用雙因素方差分析法,以上升流流速與來流流速的比值以及背渦流水平跨度為依據(jù),考察開口比和迎流面形狀對(duì)魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響。分析步驟如下[13]:

設(shè)有兩個(gè)因素A和B,其中因素A有r個(gè)水平A1,…,Ar,因素B有s個(gè)水平B1,…,Bs,在每一種組合水平Ai×Bj下各進(jìn)行m次(m≥2)獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)。在因素A和因素B的各個(gè)水平下,每一種組合(Ai、Bj)的試驗(yàn)結(jié)果總體Xij服從正態(tài)分布N(mij,s2),將總體Xij的均值mij寫成mij=m +ai+bj+cij(i=1,2,3,…,r;j=1,2,3,…, s),稱m為總平均,稱ai為Ai水平的效應(yīng),稱bj為Bj水平的效應(yīng)。進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),分析因素A、B對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

待檢假設(shè):

(1)H0A:a1=a2=…=ar=0,

H1A:a1,a2,...,ar不全為0,

(2)H0B:b1=b2=…=br=0,

H1B:b1,b2,…,br不全為0。

根據(jù)F值判斷因素作用效果是否顯著。當(dāng)α分位點(diǎn)為0＜α＜1時(shí),若

則拒絕假設(shè)H0A,即因素A有作用效果;否則,接受假設(shè)H0A,即因素A無作用效果或作用效果不顯著。若

則拒絕假設(shè)H0B,即因素B有作用效果;否則,接受假設(shè)H0B,即因素B無作用效果或作用效果不顯著。

假設(shè)因素A為開口比,因素B為迎流面形狀。根據(jù)雙因素方差分析原理對(duì)上升流流速與來流流速的比值進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表1、表2。由表2可見:在顯著性水平α=0.05的情況下,因素A和因素B在本試驗(yàn)中影響效果顯著(P＜0.05),即在數(shù)值模擬試驗(yàn)中魚礁模型的開口比和迎流面形狀均對(duì)上升流流速產(chǎn)生影響,且影響效果顯著;在顯著性水平α=0.01的情況下,因素A在本試驗(yàn)中影響效果極顯著(P＜0.01),而因素B在本試驗(yàn)中無極顯著影響效果(P＞0.01),即在數(shù)值模擬試驗(yàn)中魚礁模型的開口比對(duì)上升流流速影響非常明顯,而魚礁模型迎流面形狀對(duì)上升流流速影響次之。由此可知,魚礁的開口比是流場(chǎng)效應(yīng)中影響上升流流速的主要因素,而魚礁的迎流面形狀對(duì)上升流流速的影響程度次之。

表1 上升流流速與來流流速比值的方差分析Tab.1 Variance analysis of ratios between upward flowing speed and incoming flowing speed

表2 不同因素的顯著性分析Tab.2 Significance analysis between different factors

根據(jù)雙因素方差分析原理對(duì)背渦流流域的水平跨度進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3和表4。

表3 背渦流流域水平跨度的方差分析Tab.3 The variance analysis horizontal span of reverse vortex flow

表4 不同因素的顯著性分析Tab.4 The significance analysis between different factors

由表4可見:在顯著性水平α=0.05的情況下,因素A在本試驗(yàn)中影響效果顯著(P＜0.05),因素B在本試驗(yàn)中影響效果不顯著(P＞0.05),即在數(shù)值模擬試驗(yàn)中魚礁模型的開口比對(duì)背渦流水平跨度產(chǎn)生影響,且影響效果顯著(P＜0.05),而迎流面形狀對(duì)背渦流水平跨度影響次之,但效果不顯著(P＞0.05)。由此可知,魚礁的開口比是流場(chǎng)效應(yīng)中影響背渦流水平跨度的主要因素,魚礁的迎流面形狀對(duì)背渦流水平跨度的影響程度次之。

綜上所述,魚礁的開口比是流場(chǎng)效應(yīng)的主要影響因素。

4 結(jié)論

本研究中,采用數(shù)值計(jì)算方法分析了不同開口比和不同迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響,結(jié)果表明:

1)魚礁的開口比是流場(chǎng)效應(yīng)的主要影響因素,魚礁的迎流面形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響次之。

2)迎流面形狀相同的魚礁開口比從0增至0.6時(shí),上升流流速逐漸降低,背渦流區(qū)域水平長(zhǎng)度逐漸減小。

3)開口比相同而迎流面形狀不同的魚礁,迎流面為平面時(shí)形成的上升流流速最大,背渦流區(qū)域水平跨度最大;迎流面為圓弧面時(shí)形成的上升流流速次之,背渦流區(qū)域水平跨度次之;迎流面為斜向組合面時(shí)形成的上升流流速最小,背渦流區(qū)域水平跨度也最小。

4)迎流面形狀對(duì)上升流的影響顯著,對(duì)背渦流的影響次之。

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Two-way analysis of variance of effects of cut-opening ratio and surface shape facing flowing in artificial fish-reefs on the flowing field

FU Dong-wei1,LUAN Shu-guang1,ZHANG Rui-jin2,3,CHEN Yong4
(1.College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.College of Marine Science and Environment, Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;3.Key Laboratory of Inshore Marine Environmental Science and Technology of Liaoning Universities,Dalian 116023,China;4.Center for Marine Ranching Engineering and Science Research of Liaoning,Dalian Ocean University, Dalian 116023,China)

The flowing field of artificial fish-reefs was simulated numerically by computational fluid dynamics method,and an individual artificial fish-reef was chosen to simulate the three dimensional flowing field in coastal sea. The effects of opening ratios and surface shape facing flowing of fish-reefs on flow field were analyzed by two-way analysis of variance.The result showed that the opening ratio of the fish-reef was the major factor influencing flowing field,that the less the opening ratio of artificial reefs was,the more significantly water flow was obstructed,the faster the speed of upward flowing before reef,the more noticeable the turbulence of reverse vortex flow was,the longer the reverse vortex flow area was,and that,the effect of the shape of reef was surface on flow field was found to be less significant than that of the opening ratio of artificial reefs.

artificial reef;opening ratio;shape of reef surface;two-way analysis of variance;flow field effect

S931

A

2095-1388(2012)03-0274-05

2011-06-08

國(guó)家“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA100303);國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200805030)

付東偉(1987-),男,碩士研究生。E-mail:fudongwei8866@163.com

欒曙光(1954-),女,教授。E-mail:shugluan@qq.com