方形人工魚礁單體流場效應(yīng)的PIV 試驗研究

付東偉，陳勇，陳衍順，欒曙光

(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) 遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連116023;3.福建省水產(chǎn)設(shè)計院，福建 福州350003)

人工魚礁(以下簡稱魚礁)具有良好的環(huán)境功能，不僅能夠修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境和優(yōu)化漁業(yè)結(jié)構(gòu)，而且對于凈化固體廢棄物和發(fā)展休閑漁業(yè)也有良好作用。隨著海洋牧場建設(shè)的深入展開，對魚礁流場效應(yīng)的研究取得了突破性進展。李珺等［1］采用大渦模擬(LES)紊流模式，對單體方形魚礁的流場進行三維模擬試驗，得到礁體不同結(jié)構(gòu)的通透系數(shù)與礁體周圍流場變化的數(shù)學(xué)模型;鄭延璇等［2］利用計算流體力學(xué)CFD 軟件，采用RNG k-ε湍流模型，研究不同來流流速(0.3、0.5、0.8 m/s)下星體形魚礁模型的流場效應(yīng)，分析了礁體投放方式與流場效應(yīng)的關(guān)系;李曉磊等［3］利用CFD 軟件，對定常流作用下方形魚礁模型進行數(shù)值模擬，研究了礁體周圍的三維渦結(jié)構(gòu)。但有關(guān)人工魚礁開口比和來流流速對流場效應(yīng)影響的研究目前尚未見報道。本研究中，作者采用粒子圖像測速(PIV)二維流場測速技術(shù)對單體魚礁進行定量物理模型試驗，再應(yīng)用雙因素方差分析法討論魚礁開口比和來流流速對流場效應(yīng)的影響程度，以期為魚礁開口比的選取和魚礁的合理布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

物理模型試驗在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點實驗室進行。試驗用循環(huán)水槽長、寬、高分別為22.0、0.45、0.60 m。試驗通過ADV 流速儀在試驗區(qū)前端控制所需流速，待流速穩(wěn)定后，采用激光片光源照射模型礁體與水流方向垂直的中垂面流場，用CCD 相機連續(xù)記錄圖像場，得到一個時間段的12 位灰度圖像，然后采用美國TSI 公司的PIV 測量系統(tǒng)，對魚礁模型進行二維片流場的流動測量和流動顯示，并由粒子成像系統(tǒng)對返回計算機的數(shù)據(jù)進行分析，得到片流場的流速矢量圖。PIV 測量系統(tǒng)試驗裝置示意圖見圖1。試驗水流動力源由變頻器(0 ～50 Hz)提供，當水槽中水深為0.5 m 時可以提供0 ～250 mm/s 的水流流速。根據(jù)重力相似準則，試驗中幾何相似的線性長度比λ(原型的線性長度與模型的線性長度的比值)為20［4］。本研究中選取原型所在位置的水流流速為0.8 m/s，對應(yīng)模型所在位置的水流流速為180 mm/s，且變頻器可以滿足水流流速的需求。示蹤粒子根據(jù)試驗環(huán)境要求選用聚氯乙烯(PVC)粉。

1.2 模型類型和試驗工況

開口比是礁體迎流面孔洞在橫向中垂面的投影面積與迎流面投影面積的比值。本次試驗?zāi)M實際魚礁尺寸為邊長2 m 的立方塊體，開口比分別為0、0.04、0.16、0.25。試驗?zāi)Ｐ筒牧蠟橛袡C玻璃，根據(jù)重力相似準則，模型邊長為100 mm 的立方塊體，并且中心分別開有邊長為0、20、40、50 mm的孔洞，4種單體魚礁模型示意圖如圖2所示。

圖1 PIV 測量系統(tǒng)試驗裝置示意圖Fig.1 Experimental equipment in the PIV system

圖2 開口比為0、0.04、0.16、0.25 的單體魚礁模型Fig.2 Models of artificial reefs of cut－opening ratio of 0，0.04，0.16，and 0.25

2 結(jié)果與討論

2.1 流場效應(yīng)評價指標

魚礁投置于海底后產(chǎn)生的上升流可以促進上下層海水的交換，擴大基礎(chǔ)餌料和營養(yǎng)鹽的分布水平，易于誘集各層魚類形成漁場;背渦流可以形成流體力學(xué)陰影區(qū)域［5］，提供魚類休憩和躲避強水流的場所。本研究中流場效應(yīng)的評價指標選取平均上升流流速和背渦流面積，如果流場中平均上升流流速較大和背渦流面積較大，則判定魚礁流場效應(yīng)較顯著。流場矢量數(shù)據(jù)提取于連續(xù)時間段內(nèi)魚礁縱向中軸流場矢量圖中流場效應(yīng)最明顯的時刻(圖3)。平均上升流流速為礁體迎流面一端的水流分離點前一定范圍內(nèi)垂直流速的平均值(9 組數(shù)據(jù));背渦流面積為礁體后側(cè)產(chǎn)生最大渦旋區(qū)域的面積。

2.2 流場效應(yīng)分析

從圖3可見:單體魚礁流場中開口比為0 的魚礁背渦流區(qū)域較大，渦流明顯，并且隨著來流流速的減小，渦心位置升高，開口比由0 增至0.25 時，礁體中心區(qū)域水流流量增大，背渦流區(qū)域渦流面積減小，且形成礁體后側(cè)上下兩個渦流區(qū)域;上升流流速隨著來流流速的增加而增大，來流流速較大時礁體周圍的流場矢量分布呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，即來流流速越大上升流高度越大，對背渦流影響就越大，當來流流速為67 mm/s 時流場矢量分布規(guī)律不明顯，這是因為實際物理模型試驗中，流速越小，流場受到周圍環(huán)境因子的影響就越大，如水槽兩側(cè)玻璃對水流的黏滯性和PVC 粉的不穩(wěn)定性等。

2.2.1 上升流流速 從圖4可見:在相同來流流速工況下，單體魚礁隨著礁體開口比由0 增至0.25 時，平均上升流流速逐漸降低，平均上升流流速與來流流速的比值逐漸降低，分別降低了34.67%、21.35%、15.31%、10.7%，這是因為開口比越小，礁體迎流面受到空隙的分流就越少，礁體上側(cè)的流管效應(yīng)也越強;在開口比相同的工況下，隨著來流流速的降低，平均上升流流速逐漸降低，平均上升流流速與來流流速的比值呈降低趨勢，比 值 分 別 降 低 了 24.67%、21.40%、15.45%，即來流流速越大，流場中上升流流速越大。其中，開口比為0 的魚礁流場中，平均上升流流速與來流流速比值為0.25 ～0.42。劉洪生等［6］的風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，正方體模型在實際來流流速為0.4、0.6、0.8 m/s 的工況下，平均上升流流速為來流流速的0.3 倍。本試驗結(jié)果與此結(jié)果基本吻合。

圖4 平均上升流流速與來流流速比值隨開口比的變化Fig.4 The curves of the ratio between average upwelling velocity and incoming flowing velocity with different cut－opening ratios in the flow field

2.2.2 背渦流面積 從圖5可見:在相同來流流速工況下，單體魚礁的開口比由0 增至0.25 時，背渦流面積逐漸減小，平均背渦流面積分別為7734.7、4325.4、2578.5、1148.1 mm2，即隨著開口比的減小，背渦流面積逐漸增大，這是因為礁體中心貫穿空隙越小，流經(jīng)礁體中心至礁體后側(cè)的水流流量就越低，也就越有利于形成背渦流，所以選擇開口比較小的魚礁有利于增大礁體后側(cè)背渦流的面積;在開口比相同的工況下，隨著來流流速的增大，背渦流面積逐漸增大，平均背渦流面積分別為4925.4、3850.1、3064.5 mm2。

圖5 背渦流面積與礁體迎流面面積比值隨開口比的變化Fig.5 The curves of ratio between area of reverse vortex and area of incident flow surface with different cut－opening ratios in the flow field

2.3 開口比和來流流速對流場效應(yīng)影響的雙因素方差分析

采用無重復(fù)雙因素方差分析法［7］對試驗數(shù)據(jù)進行分析，步驟如下:

本研究假設(shè)開口比為因素A，來流流速為因素B。通過雙因素方差分析研究魚礁流場開口比和來流流速對平均上升流流速與來流流速比值的影響［8］。從表1和表2可見:當顯著性水平α 為0.05 時，因素A和B 均表現(xiàn)出顯著性影響(P＜0.05)，表明在本次物理試驗中，魚礁開口比和來流流速對平均上升流流速與來流流速比值均有顯著性影響;當顯著性水平α 為0.01 時，因素A表現(xiàn)出極顯著性影響(P＜0.01)，而因素B 則無極顯著性影響(P＞0.01)。根據(jù)上述分析可知，礁體的開口比是影響魚礁流場效應(yīng)的主要因素，而流場中來流流速對魚礁流場效應(yīng)的影響程度次之。

表1 平均上升流流速與來流流速比值的雙因素方差分析Tab.1 Variance analysis of ratio between average upwelling velocity and incoming flowing velocity

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

通過雙因素方差分析研究魚礁流場開口比和來流流速對背渦流面積的影響。從表3和表4可見:當顯著性水平α 為0.05 時，因素A和B 均表現(xiàn)出顯著性影響(P＜0.05)，表明在本次物理試驗中，魚礁開口比和來流流速對背渦流面積均有顯著性影響;當顯著性水平α 為0.001 時，因素A表現(xiàn)出極顯著性影響(P＜0.001)，而因素B 則無極顯著性影響(P＞0.001)。根據(jù)上述分析可知，在魚礁流場效應(yīng)中，礁體的開口比是影響背渦流面積的主要因素，而流場中來流流速對其影響程度次之。

表3 背渦流面積的雙因素方差分析Tab.3 Variance analysis of reverse vortex area

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

3 結(jié)論

(1)開口比是影響魚礁流場效應(yīng)的主要因素，來流流速對流場效應(yīng)的影響程度次之。開口比越小和上升流流速越大時，背渦流面積越大;來流流速越大和上升流流速越大時，背渦流面積越大。

(2)選擇近岸海域流速較大區(qū)域投放開口比較小的單體魚礁可以獲得較大的上升流流速和背渦流面積，這樣可促進上下層海水交換、增加溶氧量和增加營養(yǎng)物質(zhì)的利用率，為水生生物提供良好的餌料場，使人工海洋牧場的集魚效果更為顯著。

［1］李珺，林軍，章守宇.方形人工魚礁通透性及其對礁體周圍流場影響的數(shù)值試驗［J］.上海海洋大學(xué)學(xué)報，2010，19(6):836-840.

［2］鄭延璇，關(guān)長濤，宋協(xié)法，等.星體形人工魚礁流場效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(19):185-193.

［3］李曉磊，欒曙光，成勇，等.立方體人工魚礁背渦流的三維渦結(jié)構(gòu)［J］.大連海洋大學(xué)學(xué)報，2012，27(6):572-577.

［4］吳持恭.水力學(xué):下冊［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［5］黑木敏郎，佐藤修，尾崎晃.魚礁構(gòu)造の物理學(xué)的研究Ⅰ［M］.函館:北海道水產(chǎn)部，1964:1-19.

［6］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，2009，33(2):229-236.

［7］王式安.數(shù)理統(tǒng)計［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1995.

［8］付東偉，欒曙光，張瑞瑾，等.人工魚礁開口比和迎流面形狀對流場效應(yīng)影響的雙因素方差分析［J］.大連海洋大學(xué)學(xué)報，2012，27(3):274-278.