不同布設(shè)間距下方型人工魚礁體的水動(dòng)力特性數(shù)值研究?

于定勇， 王逢雨， 鐘延超， 楊遠(yuǎn)航

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100 )

社會(huì)發(fā)展速度快，漁業(yè)資源需求量也隨之增大,近年來一些不合理的漁業(yè)發(fā)展模式,破壞了海洋生物的棲息地，導(dǎo)致海洋漁業(yè)資源急劇減少。《山東省人工魚礁建設(shè)規(guī)劃(2014—2020年)》中提到,山東在2020年前在沿海區(qū)域?qū)⑼度虢ㄔO(shè)9大人工魚礁帶，40個(gè)人工魚礁群。

人工魚礁是指人們在水中經(jīng)過科學(xué)選點(diǎn)而設(shè)置的構(gòu)造物,是海洋牧場的重要組成部分,它可以為近海幼魚等水生生物提供避難所，以及促進(jìn)上下層海水循環(huán)流動(dòng)。放置人工魚礁后，可改變附近區(qū)域的流場效應(yīng)，在海流、波浪的作用下水體上下混合和產(chǎn)生渦流，形成的上升流可引起海底營養(yǎng)物質(zhì)的交互循環(huán)，能改善人工魚礁區(qū)周圍的海域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)浮游生物的繁殖能力，使礁體附近形成較理想的索餌區(qū)，方便水生生物覓食，其暴露的表面可供海藻附著和生長，還可以避免使用非法漁具進(jìn)行捕撈，保護(hù)漁業(yè)資源。研究人工魚礁的流場效應(yīng)對(duì)增殖漁業(yè)資源具有非常重要的意義。

Falc?o等[1]對(duì)營養(yǎng)鹽通量和有機(jī)顆粒物在人工魚礁區(qū)和非人工魚礁區(qū)的差異進(jìn)行了對(duì)比，分析了人工魚礁對(duì)水中營養(yǎng)鹽通量和有機(jī)物顆粒的影響。

Woo等[2]利用數(shù)值模擬方法對(duì)人工魚礁的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，給出了包括透空立方體在內(nèi)的24種不同形狀人工魚礁阻力系數(shù)值，結(jié)論表明阻力系數(shù)受礁體迎流角度的影響較明顯，與初始流速?zèng)]有太大關(guān)系。

Liu和Su[3]通過數(shù)值模擬研究了無底方型雙礁體連線垂直于來流方向和豎直堆疊布放時(shí)礁體的流場效應(yīng)，結(jié)果表明雙礁體連線垂直于來流方向布設(shè)時(shí)流場效應(yīng)較好。

唐衍力[4]對(duì)圓形開口魚礁進(jìn)行了水槽實(shí)驗(yàn)，礁體分有蓋和無蓋兩種，邊長為0.15 m、開口比為0.22，實(shí)驗(yàn)得到了礁體在不同來流速度、不同迎流角度下的阻力系數(shù)。

劉彥[5]通過物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了在不同來流速度下雙方體組合魚礁的流場效應(yīng)，得到了組合礁體較優(yōu)的投放形式。

關(guān)長濤等[6]采用數(shù)值模擬方法分析了不同雷諾數(shù)條件下，擺放方式和布設(shè)間距對(duì)三圓管型人工魚礁流場效應(yīng)的影響，得到了上升流和背渦流的規(guī)模和強(qiáng)度隨雷諾數(shù)、布設(shè)間距的變化情況。

總結(jié)前人工作成果可以了解到，對(duì)于各種擺放形式下的組合人工魚礁體，國內(nèi)外學(xué)者主要從不同礁體形狀和海流速度對(duì)礁體水動(dòng)力特性的影響進(jìn)行了研究，尚缺乏對(duì)于開口雙方型礁體流場效應(yīng)、阻力系數(shù)隨布設(shè)間距變化情況的科研工作，已有研究[7]表明上述流場效應(yīng)在一定程度上受礁體布設(shè)間距變化的影響。為了探究礁體阻力系數(shù)和上升流特性參數(shù)隨布設(shè)間距的變化情況，本文通過數(shù)值模擬和物模實(shí)驗(yàn)研究了雙方型人工魚礁體的水動(dòng)力特性，為礁區(qū)布局方案的確定提供參考。

1 物模實(shí)驗(yàn)

1.1 模型制作

圖1 礁體模型Fig.1 Reef model

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

實(shí)驗(yàn)在中國海洋大學(xué)水動(dòng)力循環(huán)水槽中進(jìn)行。水槽尺寸為5.0 m×1.2 m×1.2 m，其底部及兩側(cè)面均由透明玻璃構(gòu)成，造流裝置位于水槽一端，通過調(diào)節(jié)其電機(jī)頻率改變流速。水槽中水深為1 m時(shí)可達(dá)到的水流速度為0～1.50 m/s，穩(wěn)定流速為0.15～0.80 m/s。本次實(shí)驗(yàn)水深設(shè)置為0.95 m，當(dāng)實(shí)際情況下海流速度為0.80 m/s時(shí)，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，水槽進(jìn)口流速設(shè)置約為0.18 m/s。實(shí)驗(yàn)采用ADV聲學(xué)多普勒流速儀測量測點(diǎn)流速，采樣頻率為200 Hz，采用六分力儀測量礁體在水流中的受力，采樣頻率為100 Hz。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

選擇開口比為0.3的方形開口雙礁體，實(shí)驗(yàn)開始之前在礁體模型表面打孔，利用螺母將模型固定在直徑為0.01 m的螺桿上并垂直懸掛在水中，前方礁體模型迎流面距離水槽入口距離為2 m，通過移動(dòng)后方礁體，改變兩礁體模型間的距離實(shí)現(xiàn)雙礁體布設(shè)間距的變化。模型底面與水槽邊壁相接近但不接觸，水槽邊壁作為模擬海底。假設(shè)礁體模型底部不受縫隙水流的作用，當(dāng)礁體表面和水槽自由液面距離較遠(yuǎn)時(shí)，不考慮自由液面的影響[9]。螺桿另一端與六分力儀相連接(見圖2、3)。通過信號(hào)調(diào)節(jié)器和A/D轉(zhuǎn)換儀將測量的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。

圖2 模型的安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of reef model

圖3 實(shí)驗(yàn)所用六分力儀Fig.3 Six-dimentional force transducer

每次實(shí)驗(yàn)開始之前，用流速儀測量距離第一個(gè)礁體模型迎流面前方0.6 m處的流速，使其穩(wěn)定流速接近0.178 m/s，然后移動(dòng)流速儀測量礁體前后測點(diǎn)的流速，當(dāng)待測點(diǎn)的流速測量值波動(dòng)幅度較小時(shí)，采集30 s的流速數(shù)據(jù)后取平均值作為該測點(diǎn)的流速測量值。不同布設(shè)間距下測點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 不同布設(shè)間距下雙礁體模型測點(diǎn)位置示意圖(y=1.5 m)Fig.4 Sketch map of measurement points position of double reefs with different disposal spaces

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

假設(shè)人工魚礁體附近是不可壓縮的黏性流體進(jìn)行的湍流運(yùn)動(dòng)，溫度幾乎不變，將能量方程忽略。

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：ui(i=1，2，3)分別為x、y、z方向的雷諾平均速度；ρ為流體密度；p為壓強(qiáng)；v為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；fi為體積力。

2.2 湍流模型

本文采用RNGκ-ε兩方程模型計(jì)算黏性流體運(yùn)動(dòng)。此模型可以對(duì)湍流結(jié)構(gòu)較小、分布較均勻的湍流流動(dòng)[7]進(jìn)行有效的模擬，對(duì)于本文人工魚礁體流場效應(yīng)的研究比較適用。

湍動(dòng)能κ方程：

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

其中：

C1ε=1.42;C2ε=1.68；

Prandtl數(shù)：ακ=αε=1.39；

熱膨脹系數(shù)：β=0.012；

本文采用有限體積法離散控制方程，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)各方程進(jìn)行空間離散，采用SIMPLEC算法進(jìn)行壓力-速度耦合，采用標(biāo)準(zhǔn)差分格式進(jìn)行壓力項(xiàng)處理，劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算殘差值取10-5，通過數(shù)值模擬方法對(duì)方型礁體的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，分析礁體布設(shè)間距的變化對(duì)其上升流特性參數(shù)、阻力系數(shù)的影響。

2.3 魚礁結(jié)構(gòu)及模擬計(jì)算區(qū)域

選取邊長L為3 m、開口比為0.3、沿水流方向布設(shè)間距分別為0.5L、1.0L、2.0L、4.0L的方形開口雙礁體，流速取為0.8 m/s。礁體結(jié)構(gòu)如圖5所示，仿真計(jì)算區(qū)域見圖6。

圖5 開口比為0.3的方型人工魚礁體結(jié)構(gòu)Fig.5 Sketch of cubic artificial reef with 0.3 opening ratio

圖6 布設(shè)間距為2.0L的雙礁體流場計(jì)算域示意圖Fig.6 Computational domain sketch of double reefs with disposal space of 2.0L

設(shè)定如下初邊界條件：

(1) 計(jì)算域入口設(shè)置來流速度為0.8 m/s的速度入口邊界條件(Velocity inlet)，給出邊界上湍動(dòng)能κ和湍動(dòng)耗散率ε，設(shè)置了邊界上各方向的速度矢量分量。

(2)計(jì)算域出口邊界設(shè)置為自由出流邊界條件(Outflow)。

(3)計(jì)算域的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為對(duì)稱邊界(Symmetry)。

(4)計(jì)算域頂面設(shè)置為具有與入口水流相同速度，剪切力為零的可移動(dòng)壁面，礁體表面和計(jì)算域底面設(shè)置為無滑移壁面(Wall)。

2.4 模型可靠性驗(yàn)證

2.4.1 網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證 網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證為了減小數(shù)值模擬過程中由于網(wǎng)格尺度所產(chǎn)生的誤差，以布設(shè)間距為2.0L的雙方型礁體舉例，采用不同的網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算域進(jìn)行了劃分，以前面礁體的阻力系數(shù)作為變量進(jìn)行了網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證，結(jié)果見表1。

由表1可以看出當(dāng)布設(shè)間距為2.0L的雙礁體計(jì)算域最大網(wǎng)格尺寸為0.500 m時(shí)，收斂性較好，此時(shí)網(wǎng)格尺寸對(duì)礁體阻力系數(shù)影響較小，因此本文采用0.500 m作為數(shù)值模擬時(shí)的最大網(wǎng)格尺寸，礁體表面網(wǎng)格高度第一層邊界層設(shè)為0.002 m，增長率為1.1，共設(shè)置10層。

表1 不同網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果Table 1 Simulation results with different gird sizes

基于上述的數(shù)值模型，模擬研究了當(dāng)布設(shè)間距分別為0.5L、1.0L、2.0L、4.0L時(shí)，開口比為0.3的雙礁體上升流特性參數(shù)和阻力系數(shù)的變化情況。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證礁體阻力系數(shù)是表征人工魚礁體穩(wěn)定性的重要參數(shù)。本文數(shù)模時(shí)僅考慮來流速度不變時(shí)礁體的受力情況，通過下式求得阻力系數(shù)：

(5)

式中:F為礁體沿水流方向受力(N)；ρ為海水密度(kg/m3)；A為礁體迎流面積(m2)；u為水流速度(m/s)。

將Fluent軟件模擬得到的測點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置處的流速和前方礁體阻力系數(shù)值與物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，j見圖7和表2。

從圖7中可以看出在第一個(gè)礁體迎流面前方測點(diǎn)流速模擬值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差較小，在兩礁體間及第二個(gè)礁體背流面后方測點(diǎn)流速相對(duì)誤差較大，測點(diǎn)流速模擬值和實(shí)驗(yàn)值最大相對(duì)誤差分別為10.22%和10.76%，相對(duì)誤差較大的測點(diǎn)出現(xiàn)在兩礁體之間和第二個(gè)礁體后方，水流流經(jīng)礁體后在此處流場變得復(fù)雜，流速變化劇烈。進(jìn)行物模實(shí)驗(yàn)測量流速時(shí)，偶然誤差不可避免地會(huì)出現(xiàn)，同時(shí)由于此處流速較小，較小的流速變化可能帶來較大的相對(duì)誤差，除去此點(diǎn)，其他測點(diǎn)流速模擬值和實(shí)驗(yàn)值相差較小，二者吻合較好。

圖7 不同布設(shè)間距雙礁體測點(diǎn)流速模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.7 Comparison of the simulated and measured velocities of the measuring stations of the double reefs with different disposal spaces

表2給出了前方礁體阻力系數(shù)數(shù)值模擬值和實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)關(guān)系，由表2可以得到在布設(shè)間距為2.0L時(shí)，前方礁體阻力系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間相對(duì)誤差較大，約為1.64%。整體來說前方礁體阻力系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值結(jié)果吻合較好。

表2 前方礁體阻力系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較Table 2 Comparison of the simulated and measured Cd of the front reef

由圖7和表2可以看出本文通過數(shù)值模擬得到的雙礁體測點(diǎn)流速和礁體受力與物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，表明本文模擬計(jì)算所采用的方法是可行的，數(shù)值模擬結(jié)果是可信的。

3 水動(dòng)力特性研究

3.1 流場形態(tài)

通過數(shù)值模擬得到了開口比為0.3的方形開口雙礁體在布設(shè)間距為0.5L、1.0L、2.0L、4.0L時(shí)的水動(dòng)力特性。本文將上升流區(qū)定義為水流z方向上速度分量與來流速度之比大于或等于5%的區(qū)域，這是由黃遠(yuǎn)東等[10]提出的；緩流區(qū)定義為水流X方向上速度分量與來流速度之比絕對(duì)值小于40%的區(qū)域。

由圖8可以看出后方礁體產(chǎn)生的上升流區(qū)主要集中于迎流面上方尖角處。隨著布設(shè)間距的增加，后方礁體產(chǎn)生的上升流區(qū)的規(guī)模增大，但整體上升流區(qū)體積逐漸減小。兩礁體之間沒有上升流區(qū)的分布。表3中Hmax/H表示上升流最大高度/礁高，Wmax/W表示上升流水平跨度/礁寬，Vmax/V表示上升流體積/礁體體積。由表3可得，上升流特性參數(shù)值隨雙礁體布設(shè)間距的增加而逐漸減小，當(dāng)布設(shè)間距為0.5L時(shí)，上升流特性參考值最大。

圖8 雙礁體縱向中軸斷面上升流區(qū)分布圖Fig.8 Velocity contour of upwelling zone on center longitudinal section of double reefs

圖9表示了開口比為0.3的雙礁體在來流速度為0.8 m/s的條件下z=1.5 m截面上的速度矢量分布。由圖9和表4可以看出當(dāng)布設(shè)間距為0.5L時(shí)，緩流區(qū)最大影響范圍與后方礁體背流面距離約為4.8倍礁高，當(dāng)布設(shè)間距增加至2.0L時(shí)，緩流區(qū)最大影響范圍與后方礁體背流面距離約為6.3倍礁高，當(dāng)布設(shè)間距繼續(xù)增加至4.0L時(shí)，由于前方礁體對(duì)后方礁體的遮蔽效應(yīng)減弱，緩流區(qū)最大影響范圍與后方礁體背流面距離減小至5.6倍礁高。模擬工況下，隨著布設(shè)間距的增加，緩流區(qū)體積逐漸增大。

表3 上升流特性參數(shù)隨布設(shè)間距的變化Table 3 Upwelling current characteristic parameters changing with different disposal spaces

圖9 不同布設(shè)間距雙礁體橫向中軸斷面速度云圖Fig.9 Velocity contour on transverse section of double reefs with different disposal spaces

表4 緩流區(qū)體積隨布設(shè)間距的變化Table 4 Volume of subcritical flow area changing with different disposal spaces

3.2 阻力系數(shù)

由圖10可以看出當(dāng)兩礁體布設(shè)間距為0.5L～2.0L時(shí)，前方礁體阻力系數(shù)值變化較小，當(dāng)間距為4.0L時(shí)，前方礁體阻力系數(shù)值較大，約為1.30。隨著布設(shè)間距的增加，前方礁體對(duì)后方礁體的遮蔽效應(yīng)減弱，后方礁體受到的水流作用力逐漸增大，阻力系數(shù)值逐漸增大，當(dāng)兩礁體布設(shè)間距增加至4.0L時(shí)，后方礁體阻力系數(shù)值增大至0.47。

圖10 雙礁體阻力系數(shù)與布設(shè)間距的關(guān)系Fig.10 Relation between the drag coefficient and disposal space

兩礁體沿水流方向布設(shè)時(shí)，后方礁體受前方礁體的遮流阻力影響程度與布設(shè)間距有關(guān)，當(dāng)兩礁體布設(shè)間距與礁高的比值D/L較小時(shí)，后方礁體處于前方礁體后紊亂流場區(qū)域范圍內(nèi)，受前方礁體遮流影響較嚴(yán)重，甚至可能處于前方礁體后方負(fù)壓區(qū)，受吸力而出現(xiàn)阻力負(fù)值；隨著D/L值增大，后方礁體遠(yuǎn)離前方礁體復(fù)雜的流場區(qū)域，受前方礁體的遮流影響變得微弱，處于正壓區(qū)，阻力較大；當(dāng)兩礁體間距與礁高比D/L增大到一定程度后，后方礁體將處于前方礁體流場恢復(fù)區(qū)段，遮流影響微弱到可忽略不計(jì)。

(6)

圖11 雙礁體kz與布設(shè)間距的關(guān)系Fig.11 Relation between kz and disposal space

圖11給出了礁體遮流阻力影響系數(shù)kz隨其布設(shè)間距比的變化關(guān)系。通過擬合得到雙礁體kz值與布設(shè)間距比的關(guān)系式為：

kz=0.003 2(D/L)2+0.039(D/L)+0.11。

(7)

為了提高擬合公式的可靠性，增加了3種工況，布設(shè)間距分別為3.0L、5.0L、6.0L。當(dāng)布設(shè)間距比為1.0L時(shí)，kz模擬計(jì)算值為0.174，擬合公式計(jì)算值為0.152，相對(duì)誤差較大，約為12.64%。整體來說kz模擬計(jì)算值和擬合公式計(jì)算值吻合較好。由圖11可以看出kz值隨著布設(shè)間距的增加而增大，在布設(shè)間距較大時(shí)，kz值較大，說明此時(shí)兩礁體之間的流場受到礁體結(jié)構(gòu)的干擾程度較小。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬計(jì)算得到的礁體周圍測點(diǎn)流速及受力值與物模實(shí)驗(yàn)實(shí)測值吻合較好，說明本文所采用的計(jì)算方法是可行的。因此，本文利用數(shù)值模擬研究了不同布設(shè)間距下方型人工魚礁體的水動(dòng)力場，通過分析礁體布設(shè)間距對(duì)其阻力系數(shù)和上升流特性參數(shù)的影響，總結(jié)為以下三點(diǎn)：

(1)人工魚礁體的水動(dòng)力特性隨布設(shè)間距的變化而產(chǎn)生一定的差異。在模擬工況下，隨著布設(shè)間距的增大，雙礁體產(chǎn)生的上升流體積逐漸減小，緩流區(qū)體積及遮流阻力影響系數(shù)kz均逐漸增大。

(2)當(dāng)雙礁體布設(shè)間距在0.5L～6.0L之間時(shí)，遮流阻力影響系數(shù)kz與布設(shè)間距比的關(guān)系可用下式表述：

kz=0.003 2(D/L)2+0.039(D/L)+0.11。

(3)當(dāng)雙礁體沿水流方向布設(shè)間距為0.5L時(shí)，其上升流特性參數(shù)值最大。當(dāng)雙礁體沿水流方向布設(shè)間距為2.0L時(shí)，其緩流區(qū)最大影響范圍最廣。由此可見，流場效應(yīng)較好的布設(shè)間距為0.5L～2.0L。研究結(jié)果可為礁區(qū)布局方案的確定提供參考。