不同布設(shè)間距下梯形臺(tái)人工魚礁體的水動(dòng)力特性研究*

于定勇 趙 偉 王逢雨 王世林

不同布設(shè)間距下梯形臺(tái)人工魚礁體的水動(dòng)力特性研究*

于定勇 趙 偉 王逢雨 王世林

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院 青島 266100)

為研究空心梯形臺(tái)人工魚礁體布設(shè)間距的變化對(duì)其水動(dòng)力特性的影響, 通過(guò)物模實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)了開(kāi)口比為0.1的梯形臺(tái)人工魚礁體在平行水流方向布設(shè)間距為1.0、2.0、3.0(為礁體的底邊邊長(zhǎng)), 前后共6個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速及礁體受力。分析得到了雙礁體的上升流規(guī)模、阻力系數(shù)在平行和垂直水流方向隨布設(shè)間距變化的規(guī)律。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法模擬了雙礁體分別在垂直水流方向布設(shè)間距為0.5、1.0、1.5、2.0, 平行水流方向布設(shè)間距為0.51.0、2.0、3.0、4.0時(shí)的水動(dòng)力場(chǎng)。結(jié)果表明: 本研究數(shù)模與物模相同工況下,即雙礁體在平行水流方向布設(shè)間距1.0、2.0、3.0時(shí),數(shù)值模擬的流速值和阻力值與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好, 說(shuō)明數(shù)值模擬方法可行, 結(jié)果可靠。數(shù)值模擬結(jié)果得到雙礁體的上升流規(guī)模、阻力系數(shù)均與垂直水流方向布設(shè)間距成反比。當(dāng)垂直水流方向布設(shè)間距為0.5時(shí), 流場(chǎng)效應(yīng)最佳; 雙礁體的上升流規(guī)模隨平行水流方向布設(shè)間距成正比, 前方礁體阻力系數(shù)變化幅度較小, 后方礁體阻力系數(shù)逐漸增大; 當(dāng)平行水流方向布設(shè)間距為4.0時(shí), 流場(chǎng)效應(yīng)最佳。本文研究結(jié)果可為單位魚礁布局設(shè)計(jì)和參數(shù)確定提供參考。

人工魚礁; 物模實(shí)驗(yàn); 數(shù)值模擬; 布設(shè)間距; 流場(chǎng)效應(yīng); 阻力系數(shù)

人工魚礁體通過(guò)將人工構(gòu)造物投入海底后與波浪和水流相互作用改變附近的流場(chǎng), 形成上升流或復(fù)雜尾流區(qū)而發(fā)揮作用。合理布放人工魚礁體一方面可以促進(jìn)水體循環(huán), 改善海區(qū)水質(zhì)狀況, 另一方面可以增加漁獲量, 是一種可持續(xù)的新型漁業(yè)生產(chǎn)模式。

早在1994年新加坡學(xué)者Chua等(1994)發(fā)現(xiàn), 混凝土礁體在聚魚的豐富度方面比輪胎礁體效果更佳, 并且在生產(chǎn)區(qū)域增強(qiáng)了生物資源。Granneman等(2015)則對(duì)比了加利福尼亞南部5組人工魚礁體和天然魚礁在集魚效果方面的區(qū)別, 發(fā)現(xiàn)在聚集魚類豐富度方面人工魚礁體和天然魚礁并沒(méi)有顯著差異, 但是人工魚礁體提高了魚類密度和生物復(fù)雜程度。借助計(jì)算機(jī), 很多學(xué)者開(kāi)始使用數(shù)值模擬技術(shù)研究人工魚礁體的流場(chǎng), 如馬荍灃等(2018)發(fā)現(xiàn)在開(kāi)口比較小時(shí), 開(kāi)口單礁體的流場(chǎng)效應(yīng)優(yōu)于實(shí)心單礁體。Liu等(2013)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法模擬了開(kāi)孔方形人工魚礁體分別在橫向(即垂直水流方向, 以下均簡(jiǎn)稱為“橫向”)、縱向(即平行水流方向, 以下均簡(jiǎn)稱為“縱向”)及堆疊布置情況下的水流場(chǎng), 其模擬結(jié)果表明, 隨著布設(shè)間距的增大, 礁體的遮流效應(yīng)逐漸減弱; 當(dāng)橫向布設(shè)間距大于2倍礁長(zhǎng)時(shí), 雙礁體間的影響消失; 隨著縱向布設(shè)間距的增大, 礁體緩流區(qū)的范圍逐漸增大, 但增長(zhǎng)幅度會(huì)有限制; 當(dāng)縱向布設(shè)間距為4倍礁長(zhǎng)時(shí), 緩流區(qū)的最大長(zhǎng)度為18.5倍的礁長(zhǎng); 當(dāng)礁體堆疊布置時(shí), 其堆疊高度的增大并不能實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的集魚效益。國(guó)內(nèi)的龐運(yùn)禧等(2017)通過(guò)數(shù)值方法模擬透空率為20%的箱型、梯形臺(tái)、三棱體多孔空心人工魚礁體在不同來(lái)流速度和布設(shè)工況下的流場(chǎng)過(guò)程, 結(jié)果表明同種模擬工況下人工魚礁體以90°擺放時(shí)形成的上升流和背渦流規(guī)模強(qiáng)度達(dá)到最大; 同種擺放角度下, 梯形臺(tái)礁體上升流強(qiáng)度最大。除了使用數(shù)值模擬方法, 在物理模型試驗(yàn)方面, Li等(2017)研究了5種不同來(lái)流速度和3種不同布置組合情況下圓管型人工魚礁體周圍的流場(chǎng)效應(yīng), 發(fā)現(xiàn)上升流和背渦流的強(qiáng)度和規(guī)模均隨著礁體數(shù)量的增加而增強(qiáng)。崔勇等(2011)在研究組合方型人工魚礁體在3種來(lái)流速度和4種布設(shè)間距條件下的流場(chǎng)效應(yīng)發(fā)現(xiàn): 當(dāng)布設(shè)間距為1倍礁長(zhǎng)時(shí), 上升流的影響面積最大; 當(dāng)布設(shè)間距為1.5倍礁長(zhǎng)時(shí), 背渦流效果最好。劉洪生等(2009)通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究正方體、金字塔及三棱柱人工魚礁體在3種來(lái)流速度、4種橫向與4種縱向布設(shè)間距條件下的水流場(chǎng), 發(fā)現(xiàn)礁體產(chǎn)生的上升流和背渦流的規(guī)模隨著流速的增大逐漸增強(qiáng); 相同來(lái)流速下, 同種空心礁體上升流和背渦流規(guī)模相對(duì)于實(shí)心礁體小; 當(dāng)礁體布設(shè)間距為1—1.5倍礁長(zhǎng)時(shí), 流場(chǎng)效應(yīng)差異顯著, 且橫向組合比縱向組合產(chǎn)生的流場(chǎng)效應(yīng)更佳。劉同渝(2003)通過(guò)水槽和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了梯形臺(tái)、半球型、三角錐體、堆疊式人工魚礁體的流場(chǎng)效應(yīng), 發(fā)現(xiàn)水流經(jīng)過(guò)魚礁體時(shí)會(huì)在其兩側(cè)形成上升流和背渦流, 且上升流區(qū)范圍約為魚礁體的1/3, 背渦流距礁體漸遠(yuǎn)漸弱; 從流場(chǎng)效應(yīng)看堆疊式礁體優(yōu)于單礁體, 單礁體中梯形臺(tái)人工魚礁體較佳。

總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了人工魚礁在不同擺放方式下礁體周圍流場(chǎng)形態(tài)隨海流流速、礁體形狀、礁體迎流角度等方面的變化, 對(duì)梯形臺(tái)雙礁體的流場(chǎng)效應(yīng)、阻力系數(shù)隨橫向及縱向間距的變化情況尚缺乏研究, 因此, 本文通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究梯形臺(tái)雙礁體水動(dòng)力特性, 旨在探究礁體上升流規(guī)模、阻力系數(shù)隨布設(shè)間距的變化規(guī)律, 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

圖2 模型側(cè)面示意圖(單位: mm)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

物模實(shí)驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水槽中進(jìn)行。該水槽實(shí)驗(yàn)段尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為4、1.2、1m, 水槽可測(cè)流速范圍0—1.2m/s, 穩(wěn)定流速范圍0—0.8m/s。水槽配有六分力儀傳感器(量程0—50kg, 精度±0.3%), 可精確測(cè)量礁體在軸方向的受力; 另外水槽配有小威龍Vectrino+點(diǎn)式流速儀(換能器到采樣單元距離為5cm, 分辨率為0.01cm/s, 量程0—2m/s, 精度±0.5%), 可精確測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中礁體周圍的流速情況。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將礁體固定在直徑為0.01m的螺桿上, 螺桿與六分力儀端相連接。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)橋盒、應(yīng)變儀等設(shè)備傳輸。礁體模型距離水槽出流口1.64m, 根據(jù)物模實(shí)驗(yàn)比尺=20, 數(shù)模計(jì)算域礁前12m對(duì)應(yīng)的是距離水槽0.6m, 1.64m遠(yuǎn)大于0.6m, 因此模型距水槽出流口1.64m足夠。模型底面與水槽底部相接近但不接觸, 以水槽底部模擬海底, 假設(shè)模型不受縫隙水流影響(姜昭陽(yáng), 2009)。

為兩礁體之間的距離;為礁體底面邊長(zhǎng); A0B1等點(diǎn)是為標(biāo)明礁體前后測(cè)量點(diǎn)位置而設(shè)置的坐標(biāo)點(diǎn)。每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前, 用流速儀測(cè)量距離第一個(gè)礁體模型迎流面前方0.6m處(即A0B1點(diǎn))的流速, 使其穩(wěn)定流速接近0.179m/s, 然后移動(dòng)流速儀測(cè)量礁體前后A1B1、A2B1、A3B1、A4B1、A5B1、A6B1六個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速, 待測(cè)點(diǎn)的流速測(cè)量值波動(dòng)幅度較小時(shí), 采集10s的流速數(shù)據(jù)后重復(fù)三次取平均值作為該測(cè)點(diǎn)的流速測(cè)量值。不同布設(shè)間距下測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

注：: 兩礁體之間的距離;: 礁體底面邊長(zhǎng); A0—A6等點(diǎn): 為標(biāo)明礁體前后測(cè)量點(diǎn)位置而設(shè)置的坐標(biāo)點(diǎn)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

假設(shè)魚礁體附近的流場(chǎng)為黏性不可壓縮流體的湍流運(yùn)動(dòng), 溫度變化不大, 因此能量方程可以忽略。

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

2.2 湍流模型

2.3 魚礁結(jié)構(gòu)及模擬計(jì)算區(qū)域

選取下底面為3m×3m、上底面為1.8m×1.8m、高為2m、開(kāi)口比為0.1, 根據(jù)已有研究, 雙礁體之間橫向和縱向的影響范圍不一樣, 一般為橫向2倍礁長(zhǎng), 縱向4倍礁長(zhǎng), 因此, 本文橫向布設(shè)間距分別為0.5、1.0、1.5和2.0、縱向布設(shè)間距分別為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0的梯形臺(tái)雙礁體, 流速取為0.8m/s。礁體結(jié)構(gòu)如圖4所示, 數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域如圖5所示。

圖4 開(kāi)口比為0.1的梯形臺(tái)人工魚礁體結(jié)構(gòu)

初始邊界條件設(shè)定: