遮板型開孔式正方體人工魚礁流場特性數(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 264010 )

1 研究背景

隨著海洋水產(chǎn)資源的過度開發(fā)，海洋荒漠化程度明顯加重[1]。海洋牧場人工魚礁作為改善海洋荒漠化的一種方式受到專家學(xué)者的關(guān)注[2]。山東省萊州灣明波海洋牧場是國家級海洋牧場，海域內(nèi)營養(yǎng)鹽和餌料充足，適宜海洋漁類生長。近年來，該海洋牧場的經(jīng)營模式轉(zhuǎn)型升級，除養(yǎng)殖魚類外還增加了海參等底棲生物。在該背景下，針對明波海洋牧場的現(xiàn)狀，亟需開展人工礁體對底棲生物生態(tài)恢復(fù)效果影響的研究。

目前，國外學(xué)者主要探究人工魚礁與生態(tài)效應(yīng)之間的關(guān)系[3-5]。國內(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]兩種方法來研究人工魚礁水動力特性。數(shù)值模擬試驗(yàn)以其直觀、高效的特點(diǎn)在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。龐運(yùn)禧等[18]對透空率相同的多種不同結(jié)構(gòu)型式的人工魚礁進(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分布特征；黃遠(yuǎn)東等[19-21]對三棱柱型、多孔方型等不同型式人工魚礁進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，同時還探究了開口比對礁體流場分布特征的影響，得到了開口比為0.1和0.2時有較好流場效應(yīng)的結(jié)論。鄧濟(jì)通等[22]通過數(shù)值計(jì)算探究了布設(shè)間距對三棱柱型礁體流場分布特征的影響。總體上，學(xué)者們運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究人工魚礁水動力特性的成果較多，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的無遮板正方體人工魚礁基礎(chǔ)上，結(jié)合海洋牧場實(shí)際需求和刺參喜陰的特性[23]，提出了遮板型開孔式正方體人工魚礁型式，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法模擬了不同工況下的流場分布特征，比較了有無遮板及開口比對礁體周圍流場特性的影響，以期為人工魚礁的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)提供新的思路和參考。

2 魚礁結(jié)構(gòu)與計(jì)算區(qū)域

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

表1 人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸

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

圖3 流場模擬計(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為無量綱參數(shù)。該兩個參數(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)的流動中，因SIMPLE迭代收斂速度較慢，故本文基于Fluent平臺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。無遮板正方體人工魚礁的網(wǎng)格數(shù)量為991 842個，流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為185 943個；開口比為0.11的遮板型正方體人工魚礁的網(wǎng)格數(shù)為1 158 208個，流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為215 667個；開口比為0.20的遮板型正方體人工魚礁的網(wǎng)格數(shù)為1 161 057個，流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為216 182個；開口比為0.36的遮板型正方體人工魚礁的網(wǎng)格數(shù)為985 697個，流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為183 528個。

圖4 流場計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

礁體外部流場區(qū)域采用流速入口邊界條件，來流設(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；外部流場區(qū)域頂部及兩邊的壁面采用對稱邊界條件；外部流場區(qū)域底部及數(shù)值模型設(shè)置為無滑移邊界條件。

4 結(jié)果與分析

4.1 遮板對繞流的影響

在來流流速為0.2 m/s、礁體開口比為0.36的條件下模擬遮板型開孔式和無遮板開孔式正方體兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚礁周圍及內(nèi)部流場，比較分析遮板對繞流流場的影響。

圖5為兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚礁礁體中心平面上的流速矢量分布正視圖。由圖5可見，迎流面的水流在接近兩種不同結(jié)構(gòu)的礁體時均會產(chǎn)生升高效應(yīng)而凝聚出上升流，遮板型和無遮板開孔式正方體人工魚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；遮板型和無遮板開口式正方體人工魚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)水流繞過礁體后，兩種礁體均在背水面后端產(chǎn)生尾跡流，同時水流減速形成背渦區(qū)。其中遮板型開孔式正方體人工魚礁背渦區(qū)形成兩股小渦流，整個背渦區(qū)長度為礁長的2.11倍，高度為礁高的0.63倍；無遮板開孔式人工魚礁背渦區(qū)形成一股大渦流，整個背渦區(qū)長度為礁長的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)人工魚礁礁體中心平面上的流速矢量分布俯視圖。由圖6可見，迎流面水流在接近兩種結(jié)構(gòu)礁體時流速會明顯減小，同時在礁體兩側(cè)和中部開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)；遮板型開孔式與無遮板開孔式正方體人工魚礁背渦區(qū)的最大寬度分別為1.64倍和1.67倍礁體寬度。由此說明，遮板的有無對開孔式人工魚礁的上升流和背渦流區(qū)域面積的大小幾乎沒有影響。

圖6 兩種不同結(jié)構(gòu)人工魚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，有無遮板礁體水流均在貼近迎流面時流速減小，同時水流分離在礁體兩側(cè)形成繞流，但水流在貼近無遮板開孔式正方體人工魚礁的迎流面時減速不明顯，在其周圍產(chǎn)生的緩流區(qū)域無明顯渦旋，水流在貼近遮板型開孔式正方體人工魚礁礁體迎流面時減速明顯，并在正面迎流處形成小范圍渦旋區(qū)，經(jīng)過礁體迎流面兩側(cè)繞流時流速明顯增大，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)的開孔式正方體人工魚礁渦動緩流區(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)人工魚礁渦動緩流區(qū)相關(guān)尺寸

4.2 開口比對繞流的影響

在礁體開口比分別為0.11和0.20、來流流速分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m/s的條件下模擬遮板型開孔式正方體人工魚礁周圍及內(nèi)部流場，比較分析開口比對繞流流場的影響。

圖8為遮板型開孔式正方體人工魚礁在上述2種開口比和5種來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，兩種開口比的遮板型開孔式正方體人工魚礁礁體均在頂部開口與底部開口處形成渦旋，中部進(jìn)、出水口之間水流流速較大，其流通量與開口的大小成正相關(guān)；迎流面的水流在接近兩種開口比的礁體時均會產(chǎn)生升高效應(yīng)而凝聚出上升流，通過分析礁體豎直方向流速矢量分布可知，同一開口比礁體的上升流高度、背渦區(qū)長度幾乎不隨來流流速大小的改變而改變，因此以來流流速0.2 m/s為例，對兩種開口比礁體上升流高度進(jìn)行對比，開口比為0.11和0.20的遮板型開孔式正方體人工魚礁上升流最大高度分別為礁高的2.18倍和1.92倍。兩種開口比的遮板型開孔式正方體人工魚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，開口比為0.11和0.20的遮板型開孔式正方體人工魚礁在不同來流流速下，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。對于礁體右上位置渦流向下延伸部分，5種流速下開口比為0.11的遮板型開孔式正方體人工魚礁向下延伸高度均為0.33倍的礁高，開口比為0.20的遮板型開孔式正方體人工魚礁向下延伸高度均為0.28倍的礁高。

表3 不同流速下兩種開口比的遮板型開孔式正方體人工魚礁頂部渦流最大高度

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

圖8 不同開口比和來流流速下遮板型開孔式正方體人工魚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流流速的改變而改變，因此以來流流速0.2 m/s為例，比較開口比分別為0.11和0.20的遮板型開孔式正方體人工魚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，礁體的開口比越小，則中間水流通量對背渦流區(qū)域的面積影響越小。開口比為0.11和0.20的遮板型開孔式正方體人工魚礁背渦流區(qū)域的最大寬度分別為礁寬的2.03倍和1.87倍。

圖9 兩種開口比的遮板型開孔式正方體人工魚礁礁體中心平面流速矢量分布俯視圖

為探究開口比對遮板以下湍流區(qū)域的影響，圖10給出了兩種開口比的遮板型開孔式正方體人工魚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)域幾乎不受來流流速的影響，故圖10仍為來流流速0.2 m/s的流速矢量分布圖。由圖10可看出，兩種開口比礁體的迎流面、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，不同開口比對礁體遮板以下緩流區(qū)域面積影響較小。兩種開口比的遮板型開孔式正方體人工魚礁礁體緩流區(qū)相關(guān)尺寸如表4所示。

圖10 兩種開口比的人工魚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 兩種開口比的遮板型開孔式正方體人工魚礁礁體緩流區(qū)相關(guān)尺寸

5 結(jié) 論

基于CFD(computational fulid dynamics)模擬計(jì)算了5種來流流速(0.2、0.4 、0.6、0.8 和1.0 m/s)條件下，3種開口比的遮板型開孔式正方體人工魚礁與1種開口比的無遮板開孔式正方體人工魚礁礁體內(nèi)部及周圍的流場。在本次數(shù)值計(jì)算范圍內(nèi)主要得到以下結(jié)論：

(1)有、無遮板對開孔式正方體人工魚礁遮板以上區(qū)域的流場影響微小而對遮板以下區(qū)域影響顯著。對遮板以下區(qū)域，有遮板可形成明顯的、流速更小的緩流區(qū)域；同時，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)開口比的大小顯著影響遮板型人工魚礁遮板以上區(qū)域的流場效應(yīng)，而對遮板以下緩流區(qū)域的流場影響不顯著。在3種開口比中，上升流高度、背渦區(qū)面積及頂部渦流范圍均隨著開口比的減小而增大，開口比為0.11的礁體擁有更好的流場分布特征。

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