六角型人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)研究

劉揚(yáng) 黃國(guó)興

摘 要：本研究利用物理模型試驗(yàn)和粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)，對(duì)六角型人工魚礁在不同流速下的流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行研究。研究表明，單體魚礁上升流的最大流速和平均流速隨來(lái)流速度增大而增大，單體魚礁上升流最大流速為來(lái)流速度的35.4%～47.5%，上升流區(qū)域的高度及面積隨來(lái)流速度增加有所減小。單體魚礁后側(cè)有小規(guī)?；亓餍纬?。

關(guān)鍵詞：人工魚礁;流場(chǎng)效應(yīng);數(shù)值模擬;粒子圖像測(cè)速

中圖分類號(hào)：U64? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）11-0060-03

在海洋牧場(chǎng)的建設(shè)過(guò)程中，人工魚礁是其中主要的人工構(gòu)造物，常采用開孔異型混凝土結(jié)構(gòu)或框架式鋼結(jié)構(gòu)。人工魚礁投放后，將受到潮流、波浪等自然水動(dòng)力因素的作用，并對(duì)原海域周圍的流場(chǎng)產(chǎn)生影響。人工魚礁會(huì)對(duì)水流起到阻礙作用，在礁體前方形成局部的上升流。上升流可以將海底的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶到上層海域，促進(jìn)上下層水體間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換，提高礁區(qū)附近海域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，有利于魚群聚集覓食。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)多種形式的人工魚礁已有研究，包括實(shí)心方型[1] 、正方型、金字塔型、三棱柱型[2] 、梯形臺(tái)型[3] 、方型[4] 、星形體型、復(fù)合型、圓管型[5] 等多種形式，但現(xiàn)有人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)遠(yuǎn)未達(dá)到理想的程度。研發(fā)具有優(yōu)質(zhì)流場(chǎng)效應(yīng)的新形式魚礁，成為海洋牧場(chǎng)建設(shè)重要的研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

六角型人工魚礁是一種新型魚礁結(jié)構(gòu)形式，由六邊形多層結(jié)構(gòu)框架、傾斜導(dǎo)流板和支撐腳組成。六角型人工魚礁整體的透水性較好，有減弱大渦結(jié)構(gòu)生成的可能;其支撐腳結(jié)構(gòu)使礁體與水底存在一定距離，可以減弱礁體對(duì)水域底部流場(chǎng)的改變;其結(jié)構(gòu)形式高度對(duì)稱而具有良好的方向適應(yīng)性;結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空腔較大，上升流的形成與發(fā)展可能更為平緩。上述設(shè)計(jì)理念需要深入研究加以確認(rèn)。本文針對(duì)六角型人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)開展研究，采用物理模型試驗(yàn)的方法，基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV），測(cè)量了不同來(lái)流速度下六角型人工魚礁的流場(chǎng)。定量分析六角型魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)，為人工魚礁推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 人工魚礁物理模型試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試儀器

1.1.1試驗(yàn)水槽和造流系統(tǒng)

六角型人工魚礁物理模型試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的PIV水槽中進(jìn)行。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)24.00m，寬0.45m，高0.60m。試驗(yàn)水槽的一端配有水箱和造流系統(tǒng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)造流裝置的電機(jī)頻率以改變來(lái)流速度，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定的可造流速度的范圍為0m/s～0.25m/s。

1.1.2 PIV試驗(yàn)流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

PIV試驗(yàn)布置原理及拍攝區(qū)域如圖1所示，高速攝像機(jī)架立在拍攝窗口前，激光片光從水槽底部照射待測(cè)流場(chǎng)的切面區(qū)域。示蹤粒子采用平均粒徑為10微米的空心玻璃微珠。試驗(yàn)相機(jī)采用高速攝像機(jī)（photron），最大分辨率為1024×1024像素，在此分辨率下的最高拍攝幀率可達(dá)7000幀，實(shí)驗(yàn)幀率選取為250幀。

1.2相似準(zhǔn)則與模型設(shè)計(jì)

1.2.1相似準(zhǔn)則與幾何比尺選擇

六角型人工魚礁采用六邊形框架結(jié)構(gòu)，由多層結(jié)構(gòu)框架、傾斜導(dǎo)流板和支撐腳組成。六角型人工魚礁原型及尺度參見圖2?？紤]試驗(yàn)所采用的水槽尺度及邊界的影響，按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模擬，選取試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀伪瘸邽椤?/p>

1.2.2模型設(shè)計(jì)與制作

六角型人工魚礁模型的多層框架結(jié)構(gòu)采用透明樹脂材質(zhì)通過(guò)3D打印完成，然后拼裝成整體框架;其十八塊傾斜導(dǎo)流板采用透明亞克力材質(zhì)，粘接在六角型人工魚礁的多層框架結(jié)構(gòu)上，見圖3。

1.3? 模型在水槽中的布置

魚礁模型設(shè)置在水槽中心附近，魚礁右邊界距離右側(cè)來(lái)流進(jìn)口4.75m（約44倍礁體直徑）;魚礁中心距離兩側(cè)水槽邊壁均為0.225m（約2倍礁體直徑）;魚礁模型高度h=0.067m，試驗(yàn)水深d=0.4m，相對(duì)淹沒深度（d-h）/d=0.8325。

2 人工魚礁流場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1流場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

速度矢量形態(tài)及特征

圖中可見，由于六角型人工魚礁的透水特性，魚礁前方來(lái)流基本未發(fā)生變化，但在魚礁前側(cè)頂部的一部分來(lái)流明顯地產(chǎn)生了垂向速度，形成一定規(guī)模的上升流，可認(rèn)為魚礁的多層框架結(jié)構(gòu)透水性較好。試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法顯示魚礁內(nèi)部的流場(chǎng)形態(tài)，但可以從魚礁頂部的大規(guī)模上升流的出現(xiàn)判斷水流在魚礁內(nèi)部空腔處發(fā)生摻混并產(chǎn)生了垂向速度。水流在穿過(guò)礁體結(jié)構(gòu)后，于魚礁后部下方形成了一股下降的水流，在魚礁后部上方形成了小規(guī)模的回流區(qū)域，該處區(qū)域位于魚礁的后側(cè)頂部導(dǎo)流板后方，具有明顯的旋渦結(jié)構(gòu)。

2.2人工魚礁對(duì)流場(chǎng)影響的定量分析

2.2.1上升流區(qū)域

上升流產(chǎn)生于魚礁前側(cè)的頂部導(dǎo)流板，上升流的主體部分產(chǎn)生于魚礁中心頂部，且上升流的最大垂向速度出現(xiàn)于后側(cè)頂部導(dǎo)流板的上方，整體區(qū)域呈鈍角三角形。將上升流區(qū)域擬定為垂向速度分量與來(lái)流速度之比大于或者等于10%的區(qū)域。采用上升流區(qū)域的最大高度和上升流區(qū)域的面積來(lái)描述上升流的規(guī)模，而采用上升流區(qū)域內(nèi)的最大垂向速度及平均垂向速度來(lái)描述上升流的強(qiáng)度。記為上升流區(qū)域的最大高度，為上升流區(qū)域的面積;為上升流區(qū)域內(nèi)的最大垂向速度，為上升流區(qū)域內(nèi)的平均垂向速度，分析結(jié)果匯總于表1;

2.2.2 回流區(qū)域

魚礁后側(cè)出現(xiàn)大面積緩流區(qū)域，同時(shí)有小面積的回流區(qū)域。回流區(qū)域內(nèi)的速度矢量與來(lái)流方向相反，最大水平向流速約為來(lái)流速度的20%，區(qū)域面積大約與單個(gè)導(dǎo)流板的水平方向投影面積相當(dāng)。定義水平向速度與來(lái)流速度相反區(qū)域?yàn)榛亓鲄^(qū)域，采用面積S和平均流速u來(lái)描述緩流區(qū)域的規(guī)模與強(qiáng)度，具體數(shù)據(jù)如表2所示;

從表中可以看出，隨來(lái)流速度的增大，回流區(qū)域的面積和平均流速均增大，平均流速為來(lái)流速度的11.3%～17.1%;

4 結(jié)論

六角型人工魚礁具有透水特性。透水特性可以有效地減小魚礁對(duì)原有水動(dòng)力環(huán)境的影響，在水流通過(guò)魚礁時(shí)結(jié)構(gòu)整體無(wú)顯著的固定邊界剝離點(diǎn)，從而有效地減少了大渦結(jié)構(gòu)的形成。在垂向上，水流可以順暢通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部空腔并充分摻混，有利于上升流的形成與發(fā)展。因此六角型人工魚礁更易于構(gòu)造適宜魚類生存的柔和流場(chǎng)。

（1）六角型人工魚礁周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，隨時(shí)間變化較小，隨來(lái)流速度的增加變化較小，流場(chǎng)效應(yīng)穩(wěn)定且無(wú)大渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。

（2）六角型人工魚礁的上升流區(qū)域集中于魚礁內(nèi)部空腔處，最大流速為來(lái)流速度的35.4%～47.5%;六角型人工魚礁后側(cè)由小規(guī)?；亓餍纬桑骄魉贋閬?lái)流速度的11.3%～17.1%。

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