遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁流場(chǎng)特性數(shù)值研究

王 旭， 李雪艷， 岳 峻， 賈世祥， 戰(zhàn) 超， 王 慶

(魯東大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264010 )

1 研究背景

隨著海洋水產(chǎn)資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，海洋荒漠化程度明顯加重[1]。海洋牧場(chǎng)人工魚(yú)礁作為改善海洋荒漠化的一種方式受到專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注[2]。山東省萊州灣明波海洋牧場(chǎng)是國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)，海域內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽和餌料充足，適宜海洋漁類(lèi)生長(zhǎng)。近年來(lái)，該海洋牧場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)，除養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)外還增加了海參等底棲生物。在該背景下，針對(duì)明波海洋牧場(chǎng)的現(xiàn)狀，亟需開(kāi)展人工礁體對(duì)底棲生物生態(tài)恢復(fù)效果影響的研究。

目前，國(guó)外學(xué)者主要探究人工魚(yú)礁與生態(tài)效應(yīng)之間的關(guān)系[3-5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者多采用數(shù)值模擬試驗(yàn)[6-11]與物理模型試驗(yàn)[12-17]兩種方法來(lái)研究人工魚(yú)礁水動(dòng)力特性。數(shù)值模擬試驗(yàn)以其直觀、高效的特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。龐運(yùn)禧等[18]對(duì)透空率相同的多種不同結(jié)構(gòu)型式的人工魚(yú)礁進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明迎流角度為90°的礁體有更好的流場(chǎng)分布特征；黃遠(yuǎn)東等[19-21]對(duì)三棱柱型、多孔方型等不同型式人工魚(yú)礁進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，同時(shí)還探究了開(kāi)口比對(duì)礁體流場(chǎng)分布特征的影響，得到了開(kāi)口比為0.1和0.2時(shí)有較好流場(chǎng)效應(yīng)的結(jié)論。鄧濟(jì)通等[22]通過(guò)數(shù)值計(jì)算探究了布設(shè)間距對(duì)三棱柱型礁體流場(chǎng)分布特征的影響。總體上，學(xué)者們運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究人工魚(yú)礁水動(dòng)力特性的成果較多，也得到了普遍的認(rèn)可。

基于此，本文在實(shí)地調(diào)查山東省萊州灣明波海洋牧場(chǎng)的無(wú)遮板正方體人工魚(yú)礁基礎(chǔ)上，結(jié)合海洋牧場(chǎng)實(shí)際需求和刺參喜陰的特性[23]，提出了遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁型式，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法模擬了不同工況下的流場(chǎng)分布特征，比較了有無(wú)遮板及開(kāi)口比對(duì)礁體周?chē)鲌?chǎng)特性的影響，以期為人工魚(yú)礁的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)提供新的思路和參考。

2 魚(yú)礁結(jié)構(gòu)與計(jì)算區(qū)域

本文共研究了4種開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁結(jié)構(gòu)，分別為明波海洋牧場(chǎng)現(xiàn)有的無(wú)遮板開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁(圖1(a))和設(shè)計(jì)與優(yōu)化后的3種不同開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁(圖1(b))，同一開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁分別在6個(gè)面上開(kāi)有相同尺寸的方孔(圖2)，4種開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁6個(gè)面上的方孔邊長(zhǎng)為a，正方體人工魚(yú)礁邊長(zhǎng)為b，遮板向外延伸長(zhǎng)度為c，遮板厚度為d，遮板距離礁體底部高度為e，遮板邊長(zhǎng)為f，魚(yú)礁結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。

表1 人工魚(yú)礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸

鄭延璇等[24]研究表明，當(dāng)外部流域長(zhǎng)度為9倍魚(yú)礁長(zhǎng)度(魚(yú)礁前部長(zhǎng)度為3倍，魚(yú)礁本身占1倍，魚(yú)礁后部長(zhǎng)度為5倍)、外部流域?qū)挾葹?倍魚(yú)礁寬度(魚(yú)礁左側(cè)寬度為2.5倍，魚(yú)礁本身占1倍，魚(yú)礁右側(cè)寬度為2.5倍)、外部流域高度為5倍魚(yú)礁高度(魚(yú)礁本身占1倍，魚(yú)礁上方高度為4倍)時(shí)，礁體流場(chǎng)分布特征可以較為精確地呈現(xiàn)。由于本文所研究的4種正方體魚(yú)礁礁體尺寸均為3 m×3 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高，b=3 m)，因此選取的模擬流場(chǎng)計(jì)算域尺寸均為9倍的魚(yú)礁底面長(zhǎng)度、6倍的魚(yú)礁底面寬度、5倍的魚(yú)礁礁體高度，即長(zhǎng)27 m、寬18 m、高15 m，如圖3所示。

圖3 流場(chǎng)模擬計(jì)算域示意圖(單位：m)

3 數(shù)值模型

3.1 控制方程與數(shù)值算法

本文中，人工礁體繞流可視為不可壓縮流體，其控制方程為連續(xù)性方程和不可壓縮流體的N-S方程(Navier-Stokes equations)：

(1)

(2)

湍流模型采用RNG(renormalization group)k-ε模型，方程如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Sij為應(yīng)力張量的平均率，Pa；η為無(wú)量綱參數(shù)。該兩個(gè)參數(shù)分別由公式(7)～(8)確定。

(7)

η=Sk/ε

(8)

RNGk-ε湍流模型方程中的其他各相關(guān)常數(shù)取值為：Cμ=0.084 5，Cε1= 1.42，Cε2=1.68，σk=1.393，σε=1.393，η0=4.38，β=0.012。

在壓力與流速耦合關(guān)系較強(qiáng)的流動(dòng)中，因SIMPLE迭代收斂速度較慢，故本文基于Fluent平臺(tái)采用能夠克服該缺點(diǎn)的SIMPLEC(SIMPLE-consistent)算法進(jìn)行壓力的修正迭代。計(jì)算的最大迭代步數(shù)為1 400步。

3.2 計(jì)算網(wǎng)格與邊界條件

本文采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算的剖分，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖4所示，其中最大面網(wǎng)格尺寸為0.25 m。無(wú)遮板正方體人工魚(yú)礁的網(wǎng)格數(shù)量為991 842個(gè)，流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為185 943個(gè)；開(kāi)口比為0.11的遮板型正方體人工魚(yú)礁的網(wǎng)格數(shù)為1 158 208個(gè)，流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為215 667個(gè)；開(kāi)口比為0.20的遮板型正方體人工魚(yú)礁的網(wǎng)格數(shù)為1 161 057個(gè)，流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為216 182個(gè)；開(kāi)口比為0.36的遮板型正方體人工魚(yú)礁的網(wǎng)格數(shù)為985 697個(gè)，流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為183 528個(gè)。

圖4 流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

礁體外部流場(chǎng)區(qū)域采用流速入口邊界條件，來(lái)流設(shè)置為均勻流，湍流參數(shù)由相應(yīng)的計(jì)算公式給出后續(xù)人工輸入，來(lái)流流速大小共設(shè)定為5種，分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m/s；外部流場(chǎng)區(qū)域?yàn)閴毫Τ隹谶吔鐥l件，設(shè)置壓力恒定且其他參數(shù)的壓力梯度為0；外部流場(chǎng)區(qū)域頂部及兩邊的壁面采用對(duì)稱(chēng)邊界條件；外部流場(chǎng)區(qū)域底部及數(shù)值模型設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件。

4 結(jié)果與分析

4.1 遮板對(duì)繞流的影響

在來(lái)流流速為0.2 m/s、礁體開(kāi)口比為0.36的條件下模擬遮板型開(kāi)孔式和無(wú)遮板開(kāi)孔式正方體兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚(yú)礁周?chē)皟?nèi)部流場(chǎng)，比較分析遮板對(duì)繞流流場(chǎng)的影響。

圖5為兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚(yú)礁礁體中心平面上的流速矢量分布正視圖。由圖5可見(jiàn)，迎流面的水流在接近兩種不同結(jié)構(gòu)的礁體時(shí)均會(huì)產(chǎn)生升高效應(yīng)而凝聚出上升流，遮板型和無(wú)遮板開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁的上升流最大高度分別為礁高的1.83倍和1.82倍；上升流致使礁體頂部形成兩部分渦流，一部分與礁體頂部開(kāi)口連接，另一部分在礁體右上部分，且右上部分渦流均向下延伸；遮板型和無(wú)遮板開(kāi)口式正方體人工魚(yú)礁頂部渦流的最大高度距離礁體頂部均為礁高的0.32倍，對(duì)于礁體右上位置渦流向下延伸部分，兩種結(jié)構(gòu)的人工魚(yú)礁向下延伸高度均為礁高的0.20倍。由圖5還可看出，當(dāng)水流繞過(guò)礁體后，兩種礁體均在背水面后端產(chǎn)生尾跡流，同時(shí)水流減速形成背渦區(qū)。其中遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁背渦區(qū)形成兩股小渦流，整個(gè)背渦區(qū)長(zhǎng)度為礁長(zhǎng)的2.11倍，高度為礁高的0.63倍；無(wú)遮板開(kāi)孔式人工魚(yú)礁背渦區(qū)形成一股大渦流，整個(gè)背渦區(qū)長(zhǎng)度為礁長(zhǎng)的2.12倍，高度為礁高的0.63倍。

圖5 兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚(yú)礁礁體中心平面流速矢量分布正視圖

圖6為兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚(yú)礁礁體中心平面上的流速矢量分布俯視圖。由圖6可見(jiàn)，迎流面水流在接近兩種結(jié)構(gòu)礁體時(shí)流速會(huì)明顯減小，同時(shí)在礁體兩側(cè)和中部開(kāi)口處各形成流速較大的3股水流；在礁體迎流面兩側(cè)產(chǎn)生面積相當(dāng)?shù)木徚鲄^(qū)，中部開(kāi)口的水流在礁體內(nèi)部以較高流速流向背渦區(qū)；遮板型開(kāi)孔式與無(wú)遮板開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁背渦區(qū)的最大寬度分別為1.64倍和1.67倍礁體寬度。由此說(shuō)明，遮板的有無(wú)對(duì)開(kāi)孔式人工魚(yú)礁的上升流和背渦流區(qū)域面積的大小幾乎沒(méi)有影響。

圖6 兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚(yú)礁礁體中心平面流速矢量分布俯視圖

圖7為兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚(yú)礁遮板與礁體底面中間位置所在高度的流速矢量分布俯視圖。由圖7可見(jiàn)，有無(wú)遮板礁體水流均在貼近迎流面時(shí)流速減小，同時(shí)水流分離在礁體兩側(cè)形成繞流，但水流在貼近無(wú)遮板開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁的迎流面時(shí)減速不明顯，在其周?chē)a(chǎn)生的緩流區(qū)域無(wú)明顯渦旋，水流在貼近遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁礁體迎流面時(shí)減速明顯，并在正面迎流處形成小范圍渦旋區(qū)，經(jīng)過(guò)礁體迎流面兩側(cè)繞流時(shí)流速明顯增大，流速增大的水流在遮板下的礁體之間形成流速明顯減小的渦旋，渦旋范圍覆蓋遮板以下的整個(gè)礁體側(cè)面，在礁體背面遮板下也有流速較小的緩流區(qū)域。兩種不同結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁渦動(dòng)緩流區(qū)相關(guān)尺寸如表2所示。

圖7 兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚(yú)礁遮板與礁體底面中間位置所在高度的流速矢量分布俯視圖

表2 兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚(yú)礁渦動(dòng)緩流區(qū)相關(guān)尺寸

4.2 開(kāi)口比對(duì)繞流的影響

在礁體開(kāi)口比分別為0.11和0.20、來(lái)流流速分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m/s的條件下模擬遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁周?chē)皟?nèi)部流場(chǎng)，比較分析開(kāi)口比對(duì)繞流流場(chǎng)的影響。

圖8為遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁在上述2種開(kāi)口比和5種來(lái)流流速下礁體中心平面上的流速矢量分布正視圖。

由圖8可見(jiàn)，兩種開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁礁體均在頂部開(kāi)口與底部開(kāi)口處形成渦旋，中部進(jìn)、出水口之間水流流速較大，其流通量與開(kāi)口的大小成正相關(guān)；迎流面的水流在接近兩種開(kāi)口比的礁體時(shí)均會(huì)產(chǎn)生升高效應(yīng)而凝聚出上升流，通過(guò)分析礁體豎直方向流速矢量分布可知，同一開(kāi)口比礁體的上升流高度、背渦區(qū)長(zhǎng)度幾乎不隨來(lái)流流速大小的改變而改變，因此以來(lái)流流速0.2 m/s為例，對(duì)兩種開(kāi)口比礁體上升流高度進(jìn)行對(duì)比，開(kāi)口比為0.11和0.20的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁上升流最大高度分別為礁高的2.18倍和1.92倍。兩種開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁頂部渦流在不同流速下的最大高度距離礁體頂部的距離如表3所示。根據(jù)表3可計(jì)算出，開(kāi)口比為0.11和0.20的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁在不同來(lái)流流速下，頂部渦流最高位置距離礁體頂部的平均高度分別為礁高的0.37倍和0.34倍。對(duì)于礁體右上位置渦流向下延伸部分，5種流速下開(kāi)口比為0.11的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁向下延伸高度均為0.33倍的礁高，開(kāi)口比為0.20的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁向下延伸高度均為0.28倍的礁高。

表3 不同流速下兩種開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁頂部渦流最大高度

兩種開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁在5種流速下均在背渦區(qū)產(chǎn)生明顯的渦旋流態(tài)(圖8)。以來(lái)流流速0.2 m/s為例，開(kāi)口比為0.11的礁體背渦區(qū)長(zhǎng)度為2.61倍的礁長(zhǎng)，高度為0.79倍的礁高；開(kāi)口比為0.20的礁體背渦區(qū)長(zhǎng)度為2.34倍的礁長(zhǎng)，高度為0.71倍的礁高。

圖8 不同開(kāi)口比和來(lái)流流速下遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁礁體中心平面上的流速矢量分布正視圖

前文中的模擬結(jié)果已表明，礁體背渦區(qū)最大寬度幾乎不隨來(lái)流流速的改變而改變，因此以來(lái)流流速0.2 m/s為例，比較開(kāi)口比分別為0.11和0.20的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁礁體中心平面上的流速矢量分布，如圖9所示。由圖9可看出，礁體的開(kāi)口比越小，則中間水流通量對(duì)背渦流區(qū)域的面積影響越小。開(kāi)口比為0.11和0.20的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁背渦流區(qū)域的最大寬度分別為礁寬的2.03倍和1.87倍。

圖9 兩種開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁礁體中心平面流速矢量分布俯視圖

為探究開(kāi)口比對(duì)遮板以下湍流區(qū)域的影響，圖10給出了兩種開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁遮板與礁體底面中間位置所在高度的流速矢量分布俯視圖，由于遮板以下緩流區(qū)域幾乎不受來(lái)流流速的影響，故圖10仍為來(lái)流流速0.2 m/s的流速矢量分布圖。由圖10可看出，兩種開(kāi)口比礁體的迎流面、背流面在遮板以下區(qū)域均為流速較小的緩流區(qū)，在兩側(cè)也均有較大范圍的緩流區(qū)且形成渦流，不同開(kāi)口比對(duì)礁體遮板以下緩流區(qū)域面積影響較小。兩種開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁礁體緩流區(qū)相關(guān)尺寸如表4所示。

圖10 兩種開(kāi)口比的人工魚(yú)礁遮板與礁體底面中間位置所在高度的流速矢量分布俯視圖

表4 兩種開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁礁體緩流區(qū)相關(guān)尺寸

5 結(jié) 論

基于CFD(computational fulid dynamics)模擬計(jì)算了5種來(lái)流流速(0.2、0.4 、0.6、0.8 和1.0 m/s)條件下，3種開(kāi)口比的遮板型開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁與1種開(kāi)口比的無(wú)遮板開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁礁體內(nèi)部及周?chē)牧鲌?chǎng)。在本次數(shù)值計(jì)算范圍內(nèi)主要得到以下結(jié)論：

(1)有、無(wú)遮板對(duì)開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁遮板以上區(qū)域的流場(chǎng)影響微小而對(duì)遮板以下區(qū)域影響顯著。對(duì)遮板以下區(qū)域，有遮板可形成明顯的、流速更小的緩流區(qū)域；同時(shí)，遮板的存在能夠起到保護(hù)和遮擋光源的作用，更有利于底棲生物的增殖與聚集。

(2)開(kāi)口比的大小顯著影響遮板型人工魚(yú)礁遮板以上區(qū)域的流場(chǎng)效應(yīng)，而對(duì)遮板以下緩流區(qū)域的流場(chǎng)影響不顯著。在3種開(kāi)口比中，上升流高度、背渦區(qū)面積及頂部渦流范圍均隨著開(kāi)口比的減小而增大，開(kāi)口比為0.11的礁體擁有更好的流場(chǎng)分布特征。

(3)綜合比較4種開(kāi)孔式正方體人工魚(yú)礁流場(chǎng)分布特征，開(kāi)口比為0.11的遮板型人工魚(yú)礁能為海參等底棲生物創(chuàng)造合適的棲息和流場(chǎng)環(huán)境，能夠更好地發(fā)揮魚(yú)類(lèi)增殖聚集效果，從而達(dá)到礁體對(duì)底棲生物生態(tài)恢復(fù)的預(yù)期效果。