梯型臺人工魚礁體流場效應(yīng)數(shù)值研究?

于定勇， 王逢雨， 張彩霞， 謝雨嘉

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266100 )

隨著近海漁業(yè)資源的不斷枯竭，通過建設(shè)人工魚礁體來發(fā)展大規(guī)模的海洋牧場已成為一種有效的豐富漁業(yè)資源手段。

人工魚礁體作為海洋牧場的重要組成部分，是通過在海中設(shè)置構(gòu)造物，改善海域生態(tài)環(huán)境，營造海洋生物棲息的良好環(huán)境，為魚類等提供繁殖、生長、索餌和庇敵的場所，實現(xiàn)保護、增殖和提高漁獲量的目的。

Granneman 等[1]通過對比加利福尼亞南部5組人工魚礁體和天然魚礁在集魚效果方面的差異分析，發(fā)現(xiàn)人工魚礁體和天然魚礁在魚類豐富度方面沒有顯著差異，但人工魚礁體在魚類密度和生物復(fù)雜程度方面趨于偏高。

Li等[2]通過數(shù)值模擬和PIV實驗研究了5種不同來流速度和3種不同布置組合情況下圓管型人工魚礁體周圍的流場效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)上升流和背渦流的強度和規(guī)模均隨著礁體數(shù)量的增加而增強。

姜昭陽[3]基于CFD方法和PIV技術(shù)研究了單孔、多孔方型人工魚礁體和梯型臺人工魚礁體各斷面壓力分布、流場效應(yīng)和礁體的受力情況，發(fā)現(xiàn)由于方型和梯型臺迎流面與來流方向夾角的差異，方型礁體對來流的阻力要強于梯型臺礁體，所產(chǎn)生的流場范圍相對梯型臺人工魚礁體較為廣泛。

劉同渝[4]通過水槽和風洞實驗研究了梯型臺、半球型、三角錐體、堆疊式人工魚礁體的流場效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)水流經(jīng)過魚礁體時會在其兩側(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，背渦流距礁體漸遠漸弱；從流場效應(yīng)看堆疊式人工魚礁體最佳，梯型臺人工魚礁體次之。

龐運禧等[5]通過數(shù)值方法分別模擬了透空率為20%的箱型、梯型臺、三棱體多孔空心人工魚礁體在不同來流速度和布設(shè)工況下的流場過程。結(jié)果表明同種模擬工況下人工魚礁體以90°擺放時形成的上升流和背渦流規(guī)模強度達到最大；單礁體時箱型魚礁體產(chǎn)生的流場效應(yīng)更佳。

馬荍灃[6]等通過選取k-ε湍流模型的數(shù)值方法分別模擬了不同開口比的單體人工魚礁，發(fā)現(xiàn)開口單體人工魚礁的流場效應(yīng)明顯優(yōu)于不開口的單體實心魚礁，但開口不應(yīng)過大，在單孔魚礁情形下，開口比為0.04時流場效應(yīng)最優(yōu)。

由上述研究工作可知，國內(nèi)外學(xué)者對人工魚礁體的研究主要集中于單一開口比情況下人工魚礁體周圍流場形態(tài)隨海流流速、魚礁體形狀、魚礁體迎流角度等方面的變化，但對梯型臺人工魚礁體的研究及其流場效應(yīng)隨開口比和海底坡度的變化情況尚缺乏研究，而已有研究工作[7-8]表明魚礁體開口比和海底坡度變化對上述流場特性有一定的影響。本文利用Fluent軟件模擬了不同工況下梯型臺人工魚礁體流場過程，旨在探究魚礁體流場效應(yīng)受開口比和海底坡度變化的影響程度，為實際魚礁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值模型及魚礁體結(jié)構(gòu)

1.1 控制方程

假設(shè)魚礁體附近的流場為粘性不可壓縮流體的湍流運動，溫度變化不大，因此能量方程可以忽略。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(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；ν為運動粘性系數(shù)；fi為體積力。

1.2 湍流模型

本文采用RNGκ-ε兩方程湍流模型，該模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動；選用標準壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)內(nèi)及Re數(shù)較低的流動[9]。

湍動能κ方程：

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

其中：

Prandtl數(shù)：ακ=αε=1.39；

熱膨脹系數(shù)：β=0.012;

1.3 魚礁體結(jié)構(gòu)及模擬計算區(qū)域

魚礁體4個側(cè)面開口形式相同，開口比(φ)定義為魚礁體迎流面在垂直于水流方向上開口的投影面積與迎流面投影面積之比[7]。圖1為開口型梯型臺人工魚礁體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 梯型臺人工魚礁體結(jié)構(gòu)示意圖

本文選取的梯型臺人工魚礁體下底面為3 m×3 m、上底面為1.8 m×1.8 m、高為2 m、開口比φ分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；海底坡度分別為θ1=0°、θ2=1.15°(tanθ2=1/50)、θ3=1.91°(tanθ3=1/30)、θ4=5.71°(tanθ4=1/10) 的海域，為研究海底坡度的影響，分別考慮了θ5=10°、θ6=20°兩個較大的坡度。設(shè)魚礁體下底面長度為L，寬度為W，礁高為H，計算域設(shè)定長度為魚礁體前4L、礁后6L、寬度為6W、高度為5H[10]；加密區(qū)設(shè)定尺寸為5L×3W×3H[11]；流速取值為0.8 m/s(見圖2)。

圖2 計算區(qū)域

本文所設(shè)定的初始邊界條件：

(1)入口邊界設(shè)置為速度入口，來流速度為0.8 m/s，并設(shè)定邊界上湍動能和湍動耗散率；

(2)出口邊界設(shè)置為自由出流；

(3)計算域的兩側(cè)面設(shè)置為對稱邊界；

(4)計算域的頂面設(shè)置為具有與入口水流相同速度的可移動壁面，剪切力為零，底面和魚礁體表面設(shè)置為無滑移壁面。

2 模型可靠性驗證

2.1 數(shù)學(xué)模型驗證

為了驗證本文湍流模型、參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分的準確性，選擇姜昭陽[3]建立的4個側(cè)面均開有直徑D=3.5 cm的圓形開口，壁厚為1.2 cm，上底面邊長a=6 cm，下底面邊長b=10 cm，礁高h=7 cm的梯型臺人工魚礁體進行數(shù)值模擬，如圖3所示。

圖3 梯型臺人工魚礁體

本文使用ANSYS Workbench 【Mesh】模塊對計算域進行四面體單元非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。數(shù)學(xué)模型中加密區(qū)網(wǎng)格尺寸為0.01 m，其他計算域網(wǎng)格尺寸為0.02 m，來流速度為0.212 3 m/s，表1給出了模擬結(jié)果與姜昭陽[3]的PIV實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的對比。

表1 礁體阻力結(jié)果對比

由表1可知，本文的魚礁體阻力數(shù)值模擬值與姜昭陽[3]PIV實驗值較為接近，表明本文的數(shù)值模擬是可行的，結(jié)果是可信的。

2.2 網(wǎng)格收斂性驗證

為了減小在數(shù)值模擬中由網(wǎng)格尺寸所致影響，選取開口比為0.3的梯型臺人工魚礁體進行模擬。加密區(qū)網(wǎng)格尺寸為0.250 m，其他計算域網(wǎng)格分別為0.900、0.700、0.500、0.300 m，網(wǎng)格收斂性驗證以礁體阻力系數(shù)為變量，結(jié)果如表2所示。

表2 不同網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果

由表2可得，當網(wǎng)格尺寸為0.500 m時，礁體阻力系數(shù)值較為穩(wěn)定，網(wǎng)格收斂性較好?？紤]計算效率，本文加密區(qū)網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.250 m，其他計算域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.500 m。

3 數(shù)值結(jié)果

基于上述模型，模擬了7種開口比、6種海底坡度梯型臺人工魚礁體周圍水流場，并重點分析魚礁體的上升流水平長度、最大高度、豎向最大速度和背渦流水平長度、水平寬度、最大高度的變化。

3.1 流場效應(yīng)隨開口比變化

本研究中上升流區(qū)域定義為水流z方向速度與來流速度之比大于或等于5%的水域[12]。背渦流區(qū)域定義為水流x方向速度小于0的水域[13]。

圖4分別給出了來流速度為0.8 m/s時，7種不同開口比魚礁體在海底坡度為0、y=1.5 m截面上的上升流區(qū)域分布圖。圖5給出的是魚礁體上升流體積與開口比的關(guān)系。由圖4、5可知：當開口比為0時，魚礁體上升流體積最大。隨著魚礁體開口比的增大，來流受到魚礁體開口的分流增多，上升流體積逐漸減小。通過最小二乘法擬合可得魚礁體上升流體積(y)與開口比(φ)的關(guān)系式為:

y= -268.9φ+ 202.0。

(5)

表3中Hu-max/H為魚礁體產(chǎn)生的上升流最大高度與礁高之比，Lu-max/L為上升流水平長度與礁長之比，Vz-max/V為上升流區(qū)豎直方向最大速度與來流速度之比。由表3可知，隨著魚礁體開口比的增大，由于分流作用的影響，上升流最大高度和豎向最大速度均逐漸減??；當魚礁體開口比為0.2時，其所產(chǎn)生的上升流最大高度約為魚礁體高度的2.75倍，這與姜昭陽[3]得出的數(shù)模結(jié)果相近；而上升流水平長度呈現(xiàn)先增大后減小，當開口比為0.3時達到最大值；由于梯型臺人工魚礁體迎流面與水平來流存在一定夾角，阻水作用小于單孔方型人工魚礁體，因此，魚礁體迎流面對水平來流起到一定的加速作用，其所產(chǎn)生的上升流豎向最大速度大于單孔方型人工魚礁體，對海底營養(yǎng)物質(zhì)向上傳輸以及吸引魚群具有積極的作用。

圖4 不同開口比魚礁體y=1.5 m平面上升流區(qū)分布圖

圖5 魚礁體上升流體積與開口比的關(guān)系

表3 不同開口比變化對上升流特性參數(shù)的影響

圖6給出的是來流速度為0.8 m/s時，7種開口比魚礁體在y=0 m截面上的速度矢量分布。由圖可知，開口比為0時，魚礁體后方產(chǎn)生一個順時針的漩渦，此區(qū)域一般稱為背渦區(qū)，隨著開口比的增大，漩渦逐漸消失；其他當開口比由0變化到0.1時，魚礁體周圍速度矢量分布較為復(fù)雜；當開口比大于0.4時，由于魚礁體開口透水作用增強，速度矢量趨于平行，因而沒有明顯的背渦區(qū)。

表4中Hv-max/H為魚礁體產(chǎn)生的背渦流最大高度與礁高之比，Lv-max/L為背渦流水平長度與礁長之比，Wmax/W為背渦流水平寬度與礁寬之比。當魚礁體開口比為0.1時，其背渦流最大高度和水平寬度最大，水平長度略小于開口比為0時的值；當魚礁體開口比為0時，其背渦流水平長度約為礁長的2.33倍，這與劉同渝[4]得出的背渦流水平長度為礁長的2～3倍相一致；隨著魚礁體開口比的增大，圓孔分流作用增強，其背渦流水平長度及水平寬度逐漸減小。

圖6 不同開口比魚礁體y=0 m平面速度矢量分布

表4 不同開口比變化對背渦流特性參數(shù)的影響

3.2 流場效應(yīng)隨海底坡度的變化

海底坡度是人工魚礁區(qū)選擇的重要因素之一，它可影響魚礁體周圍的流場效應(yīng)以及礁體的穩(wěn)定性。通常人工魚礁體投放的海域海底坡度為0～5°左右，本文為研究海底坡度對魚礁體周圍流場效應(yīng)的影響選取開口比分別為0.1、0.3、0.5的梯型臺人工魚礁體，假定海底平坦，將魚礁體放置于海底坡度分別為θ1=0°、θ2=1.15°(tanθ2=1/50)、θ3=1.91°(tanθ3=1/30)、θ4=5.71°(tanθ4=1/10) 的海域，為研究海底坡度的影響，分別考慮了θ5=10°、θ6=20°兩個較大的坡度。

圖7 海底坡度示意圖

由表5～10可得，在相同海底坡度下，上升流和背渦流特性參數(shù)與開口比的關(guān)系和上文保持一致；當魚礁體開口比不變時，隨著海底坡度的增加，魚礁體產(chǎn)生的上升流最大高度、水平長度和豎向最大速度均逐漸增大；當開口比為0.5、海底坡度為5.71°時，對應(yīng)的上升流最大高度約是海底坡度為0時的1.72倍，流場效應(yīng)更佳；而魚礁體產(chǎn)生的背渦流范圍幾乎不受海底坡度的影響。

表5 開口比為0.1時不同海底坡度變化對上升流特性參數(shù)的影響

表6 開口比為0.3時不同海底坡度變化對上升流特性參數(shù)的影響

表7 開口比為0.5時不同海底坡度變化對上升流特性參數(shù)的影響

表8 開口比為0.1時不同海底坡度變化對背渦流特性參數(shù)的影響

表9 開口比為0.3時不同海底坡度變化對背渦流特性參數(shù)的影響

表10 開口比為0.5時不同海底坡度變化對背渦流特性參數(shù)的影響

4 結(jié)論

本文利用Fluent軟件中的RNGκ-ε湍流模型，模擬了7種開口比和6種海底坡度下梯型臺人工魚礁體周圍的水流場，分析了其流場效應(yīng)在不同開口比和海底坡度情況下的變化，得到了如下結(jié)論。本文研究結(jié)果可為人工魚礁體的設(shè)計提供參考。

(1)在海底坡度不變的情況下，梯型臺人工魚礁體產(chǎn)生的上升流體積、最大高度和豎向最大速度均隨開口比的增大而減?。欢仙魉介L度先增大后減小，當開口比為0.3時達到最大值；當開口比為0.1時，魚礁體產(chǎn)生的背渦流范圍最廣，隨著開口比的增大，背渦流范圍逐漸減小。

(2)在開口比不變的情況下，梯型臺人工魚礁體產(chǎn)生的上升流最大高度、水平長度和豎向最大速度均隨海底坡度的增大而增大，且當開口比為0.5、海底坡度為5.71°時，其所對應(yīng)的上升流最大高度約是海底坡度為0時的1.72倍，流場效應(yīng)更佳；而背渦流范圍幾乎不受海底坡度的影響。

(3)當開口比為0～0.6時，上升流體積(y)與開口比(φ)存在如下關(guān)系：

y= -268.9φ+ 202.0 (R2=0.98)。

(4)當開口比為0.1、海底坡度為5.71°時，梯型臺人工魚礁體產(chǎn)生的上升流和背渦流范圍較其他工況最廣，流場效應(yīng)最佳。