帶葉輪的人工魚礁流場效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

摘 要：由于過度捕撈和環(huán)境污染，全球漁業(yè)資源持續(xù)下降，許多天然漁場遭到嚴(yán)重破壞，目前以人工魚礁為主要修復(fù)手段的海洋牧場建設(shè)在世界各沿海國家得到迅猛發(fā)展，并且取得了良好的效果。文章設(shè)計了一種帶葉輪的人工魚礁，對魚礁體進行安全性能的計算和校核，并用Fluent軟件對其進行了計算流體力學(xué)CFD仿真。結(jié)果表明其具有很好的水動力特性，流體經(jīng)過魚礁后所產(chǎn)生的最大速度基本與來流速度成正比，而背渦流的長度不隨來流速度的增加而改變，為以后對魚礁的布局提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：人工魚礁；數(shù)值模擬；CFD；流場效應(yīng)

1 概述

近年來，中國在漁業(yè)生產(chǎn)方面有了明顯的進步，水產(chǎn)品產(chǎn)量已居世界前列。如果漁場因過度捕撈和環(huán)境污染而嚴(yán)重破壞，許多水生資源將耗盡。 如果不采取有效措施進行修復(fù)和保護，沿岸的漁業(yè)將像土地荒漠化一樣被放棄，漁業(yè)的發(fā)展將受到嚴(yán)重影響。因此，必須要保護和改善海洋生態(tài)環(huán)境，增加水生生物資源的數(shù)量。在世界漁業(yè)中，日本等發(fā)達國家在改善捕魚環(huán)境方面的各種嘗試和研究，包括使用人工魚礁來改善和優(yōu)化海洋的生態(tài)環(huán)境，已被廣泛使用。人工魚礁是人們在海域范圍內(nèi)投放的構(gòu)造物，其投放的目的在于改善海域生態(tài)環(huán)境，為動物和植物創(chuàng)造一個良好的生活環(huán)境，同時也可用于為魚類等海洋生物提供生長、繁殖、取食和棲身的生活場所，從而達到保護、增殖和提高海洋魚類和種類的目的[1]。

人工魚礁多部署在淺水區(qū)，以減少沿海侵蝕，增加魚類和產(chǎn)量。然而，人工礁在投入海底放置過程中存在一些問題，如礁石的穩(wěn)定性、材料的耐久性、性能設(shè)計因素的影響等等。針對上述問題，我們總結(jié)出人工魚礁水動力性能的研究對于人工魚礁的發(fā)展非常重要。流場效應(yīng)是人工魚礁水動力性能的一個重要方面，它主要是指當(dāng)它被放入海域時可以在魚礁前面產(chǎn)生的局部上升流。上升流一方面會將底部的沉積物和養(yǎng)分轉(zhuǎn)移到水面附近的水中，以提高海域的餌料水平，起到收集魚的作用。另一方面，人工魚礁在魚礁下游形成旋渦流區(qū)域，為魚類提供棲息地，繁殖和棲息地。人工魚礁漁業(yè)資源的生態(tài)效應(yīng)主要通過人工魚礁的流場效應(yīng)來實現(xiàn)的。 因此，正確的人工魚礁引起的流場效應(yīng)，優(yōu)化魚礁體的結(jié)構(gòu)，分析它的集機制和誘餌效應(yīng)非常重要。

目前，許多學(xué)者利用各種方法來研究人工魚礁的流場影響，并取得了一些初步的成果。肖榮等[2]在不穩(wěn)定流動下模擬了梯形礁和方形礁的三維流場，揭示了兩種礁形成的上升流和背渦流的規(guī)模和強度，分析了單石礁和組合珊瑚礁之間的流場差異。姜昭陽等[3，4]通過實驗和數(shù)值模擬研究了人工魚礁的水動力特性，得到了單一魚礁流場效應(yīng)與流速的變化規(guī)律。

文章主要根據(jù)流體力學(xué)相似原理，對魚礁礁體進行受力分析，對礁體是否滑移、傾覆進行穩(wěn)定性計算和校核；基于 ANSYS FLUENT 14.0 平臺，采用 CFD 技術(shù)[5]仿真了不同流速下魚礁體結(jié)構(gòu)繞流規(guī)律，并對六棱柱型人工魚礁礁體模型進行分析。

2 帶葉輪的人工魚礁總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有的魚礁設(shè)計主要從水動力學(xué)、生物學(xué)和材料學(xué)等角度進行考慮，文章創(chuàng)新性地把人工魚礁與葉輪結(jié)合一起，設(shè)計了一種帶葉輪的人工魚礁，葉輪在波浪能的作用下旋轉(zhuǎn)可以把海域底部的有機鹽或營養(yǎng)物質(zhì)帶到海域上部來，為魚兒提供食物；同時魚礁內(nèi)部的泥沙和垃圾在葉輪的旋轉(zhuǎn)下被排出人工魚礁外，使魚礁內(nèi)部保持潔凈的環(huán)境，有利于魚兒健康成長。一種帶葉輪的人工魚礁主要包括魚礁蓋，人工魚礁礁體，魚礁底部支架，葉輪。人工魚礁礁體是有六個相同的四邊形的面組成。如圖1所示。

5 人工魚礁周圍流場模擬

5.1 計算流域參數(shù)設(shè)置

5.1.1 計算區(qū)域

研究中模擬魚礁投放區(qū)的海域水深15m，整個流場區(qū)域的尺寸為30×20×20m，如圖3所示。其中來流方向為x 軸方向，坐標(biāo)原點置于礁體底面中心，計算域進口至礁體原點的距離為10m，計算域出出口至礁體原點的距離為20m，計算域兩側(cè)面至礁體中心為10m，計算域頂部面至礁體頂部的距離為17m。

5.1.2 控制方程

由于流動分離及漩渦的演變發(fā)展，人工魚礁繞流可視為典型的非定常、不穩(wěn)定流動過程。其控制方程采用連續(xù)性方程和N-S方程，而湍流模型則選取K-epsilon模型。

5.1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件

計算區(qū)域入口設(shè)為速度入口條件，考慮到在投放人工魚礁的海域流速以不超過1m/s為宜，文章研究選取0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1m/s等5種不同來流速度進行模擬仿真；文章采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，靠近魚礁的局部區(qū)域?qū)W(wǎng)格進行加密處理。計算區(qū)域出口設(shè)為自由出流條件；計算區(qū)域的兩側(cè)和頂面采用對稱邊界條件；計算區(qū)域的底面和魚礁壁面采用無滑移邊界條件。求解器選用適用于不可壓縮及低速流動流體的全隱式的分離求解器，壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法進行迭代，方程離散采用QUICK格式，計算精度控制殘差值為10-6。

5.2 仿真結(jié)果分析

為了分析魚礁周圍流場的分布情況，選擇來流速度為1 m/s的魚礁周圍的流場進行分析。流場的YZ平面上的速度流線圖、豎直速度分布云圖如圖4所示。

由圖4分析可知：當(dāng)水流經(jīng)過魚礁時流速變緩，在魚礁的前方形成一片滯留區(qū)；當(dāng)水流遇上魚礁壁面時，流向會發(fā)生改變，在魚礁迎流面前部，會形成上升流和側(cè)向流，在魚礁后方的背流面產(chǎn)生了背渦流。

從圖4（a）可以看出，最大的速度為1.28m/s，觀察到在魚礁周圍沒有形成明顯的漩渦，由于大部分水流直接從魚礁體的開孔處穿過，但在魚礁內(nèi)部形成了很小的漩渦。從4（b）圖可以看出在魚礁后方產(chǎn)生了背渦流。

為了分析不同來流速度下魚礁所產(chǎn)生的上升流的情況，選取了5種不同的來流速度進行CFD仿真，得到了不同來流速度下流場在YZ平面上的速度矢量圖，如圖5所示。從仿真的結(jié)果中可以得出不同來流速度工況下上升流最大流速、流體流經(jīng)魚礁所產(chǎn)生的最大流速以及分別與來流速度的關(guān)系如表1和圖6所示。

從圖6以及表1可以看出，上升流的垂直速度隨著來流速度的增大而增大，幾乎成線性關(guān)系，比例系數(shù)約為0.85左右；因此上升流的最大高度與來流速度也應(yīng)該大致呈線性關(guān)系，即上升流的高度隨來流速度的增大而增大；由魚礁的影響所產(chǎn)生的最大流速代表了魚礁的水動力特性的豐富性，即最大流速越大，其越能滿足適應(yīng)不同流速的魚類的需求，集魚效果也就越好。最大流速與來流速度之比為1.3左右，說明最大速度與來流速度呈線性關(guān)系，即最大流速隨來流速度的增大而增大。

6 結(jié)束語

該人工魚礁具有容積寬闊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附著面積大等優(yōu)點。魚礁的設(shè)計在充分發(fā)揮其體積優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，其材料采用鋼筋混凝土，能夠有效保證魚礁在投放時的沖擊強度和使用壽命。計算表明該種人工魚礁在海底能安全穩(wěn)定的存在。通過Fluent軟件對魚礁的周圍的流場進行CFD仿真，表明該人工魚礁能形成上升流和背渦流，具有很好的水動力特性，同時魚礁所產(chǎn)生的上升流高度以及流體經(jīng)過魚礁后所產(chǎn)生的最大速度隨著來流速度的增大而增大，而背渦流的長度不隨來流速度的增加而改變，這些結(jié)論為以后對魚礁的布局提供了依據(jù)。

參考文獻

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作者簡介：吳偉（1990-），女，安徽淮北，碩士研究生，主要從事海洋工程、機械設(shè)計等方面的研究。

姜少杰（1965-），女，副教授，主要從事機械設(shè)計、海洋工程等方面的研究。

袁?。?991-），男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為漁業(yè)機械。

劉海敵（1990-），男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為漁業(yè)機械。