方型組合礁體流場(chǎng)效應(yīng)及水動(dòng)力分析

林明健，季新然，2，王鳳霞

（1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228；2.海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院，海南 ?？?571126；3.海南大學(xué)旅游學(xué)院，海南 海口 570228）

人工魚(yú)礁是人為投放于水域下用來(lái)改善和優(yōu)化水域生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)造物，礁體本身結(jié)構(gòu)為海洋生物提供了棲息場(chǎng)所［1］.由于礁體固壁面的阻流影響，周?chē)魉鲃?dòng)狀態(tài)的分離，導(dǎo)致來(lái)流向上抬升形成上升流，表層和底層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換輸送得到明顯的加強(qiáng)，增強(qiáng)了魚(yú)礁周?chē)酿D料效應(yīng)和集魚(yú)效果.并且礁體背面流速減小，形成渦流區(qū)，為魚(yú)類(lèi)等海洋生物提供一個(gè)良好繁衍生長(zhǎng)、棲息附著的庇護(hù)所，使得生態(tài)效應(yīng)得到改善［2］.因此，通過(guò)生態(tài)和流場(chǎng)效應(yīng)對(duì)于上升流和背渦流的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工魚(yú)礁周?chē)臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送和魚(yú)類(lèi)的聚集效應(yīng)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義.

Fujihara等［3］使用數(shù)值模擬分析得到了魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)上升流的分布范圍及流態(tài)變化.Jiang等［4?5］對(duì)立方、梯形框架多孔礁體流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明合理的多孔交叉設(shè)計(jì)有助于礁體上升流的形成和渦流區(qū)的延伸.姜昭陽(yáng)等［6］對(duì)模擬研究不同類(lèi)型單礁體的斷面渦旋面積，結(jié)果表明單孔立方體的斷面渦旋面積是梯形臺(tái)礁體的2.3~5.6倍.鄭延璇等［7］研究不同圓管型礁體疊加個(gè)數(shù)對(duì)流場(chǎng)影響，結(jié)果表明相同流速下，上升流高度和背渦流面積隨礁體疊加數(shù)量的增大而增大.馬荍灃等［8］研究不同開(kāi)口比對(duì)礁體周?chē)鲌?chǎng)的影響，結(jié)果表明開(kāi)口比在0.04時(shí)流場(chǎng)效應(yīng)達(dá)到最佳.高潮等［9］模擬六面錐型罩式魚(yú)礁的流場(chǎng)及壓力場(chǎng)，結(jié)果表明礁體高度達(dá)到1.5以上，流體出現(xiàn)層流變化，礁體背面發(fā)生渦街變化.崔勇等［10］對(duì)縱向布置的雙礁體進(jìn)行流場(chǎng)分析，結(jié)果表明當(dāng)兩個(gè)魚(yú)礁間距大于2個(gè)礁長(zhǎng)時(shí)，可以認(rèn)為對(duì)礁體流場(chǎng)沒(méi)有明顯影響.Wang等［11］研究開(kāi)孔數(shù)量對(duì)魚(yú)礁的流場(chǎng)影響，結(jié)果顯示合理布置礁體的開(kāi)孔率可以有效提升上升流和渦流場(chǎng)比例.黃遠(yuǎn)東等［12］模擬三棱柱型礁體背渦流區(qū)域的變化規(guī)律，結(jié)果表明水流速度變化的同時(shí)，背流面旋渦結(jié)構(gòu)變化明顯，但背渦流內(nèi)的渦旋最大寬度基本不變.邵萬(wàn)駿等［13］研究迎流角度、不同開(kāi)口比、來(lái)流速度對(duì)單礁體周?chē)牧鲌?chǎng)影響，計(jì)算上升流與背渦流的分布范圍，分析特定海域人工魚(yú)礁的流態(tài)分布，但并未研究多組魚(yú)礁橫向布設(shè)情況.

為了進(jìn)一步探究布設(shè)間距對(duì)組合方型人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響，本文研究基于計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT構(gòu)建海流與人工魚(yú)礁作用的數(shù)值模型，對(duì)于橫向布置和縱向兩種布置方式，模擬4種布設(shè)間距（0.5、1.0、1.5、2.0倍礁長(zhǎng)L）下，單礁、雙礁及三礁體人工魚(yú)礁周?chē)牧鲌?chǎng)效應(yīng)，研究結(jié)果將對(duì)魚(yú)礁的優(yōu)化布置具有指導(dǎo)意義.

1 數(shù)值模型介紹

FLUENT是計(jì)算水動(dòng)力學(xué)的專(zhuān)業(yè)軟件，可用于模擬不可壓縮到高度可壓縮流體的復(fù)雜流動(dòng)，同時(shí)擁有多種求解器和強(qiáng)大的網(wǎng)格生成能力，保證了較好的收斂速度與求解精度，可以輸出速度云圖、矢量圖及等勢(shì)包絡(luò)圖等.

1.1控制方程與湍流模型黏性不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒方程為：

動(dòng)量方程為：

上述各式中：p為瞬時(shí)壓強(qiáng)；xi表示直角坐標(biāo)；t為時(shí)間；Ui為速度矢量；ν表示流體分子運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)的大小；fi為單位質(zhì)量力；?為哈密爾頓算子；ui，uj（i、j=1，2，3，i≠j）分別代表流體在x，y，z方向上的速度分量.

大自然中流體的主要流動(dòng)狀態(tài)是層流和湍流，計(jì)算模型選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的RNGk?epsilon湍流模型，對(duì)于數(shù)值模擬方程使用選擇非穩(wěn)態(tài)的Navier?Stokes方程［14］，相關(guān)的數(shù)學(xué)方程可以表示為：

式中：k表示湍流動(dòng)能，Vj為平均速度分量，ε表示湍流耗散，νt為有效的湍流黏度，Rk、Rε表示有效的雷諾數(shù)，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)CS1，σk和σε通常設(shè)置為1.44，1.0和1.3，G表示平均梯度引起湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)，它與νt和速度對(duì)空間的偏導(dǎo)數(shù)相關(guān).Dong等［15］對(duì)變量G，νt，Rk和Rε的取值提供了相應(yīng)算法.

為了便于離散化的性能函數(shù)的數(shù)值計(jì)算，采用有限體積法（FVM）［16］提高流場(chǎng)的求解精度，k?ε湍流模型的RANS方程可以改寫(xiě)為：

其中v是流速，Φ表示動(dòng)量變量，Γ是和變量Φ相關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)，SΦ表示源項(xiàng)函數(shù).

1.2礁體模型與流體計(jì)算域根據(jù)文獻(xiàn)［17］中魚(yú)礁水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為了更好地展示?shù)值模擬后礁體周?chē)牧鲌?chǎng)分辨效果，本文數(shù)值模擬將礁體縮尺為0.15 m×0.15 m×0.15 m，整個(gè)流體域長(zhǎng)度設(shè)為30L，寬度與高度均設(shè)為12L，即4.5 m×1.8 m×1.8 m.礁體底部與流體域底部貼合，礁體左壁面距來(lái)流入口邊界長(zhǎng)度為4L；本文定量分析單礁、雙礁體與三礁體在不同布設(shè)間距d下的流場(chǎng)效應(yīng)，總結(jié)出發(fā)揮不同組合的流場(chǎng)及生態(tài)效應(yīng)的最優(yōu)礁體布置方式.

1.3邊界條件模擬來(lái)流壁面邊界設(shè)為速度入口見(jiàn)圖1，考慮魚(yú)礁一般投放在近海海域，本文研究給定流速1.0 m/s，出流方向邊界設(shè)為自由出流，防止水流運(yùn)動(dòng)至下游產(chǎn)生逆流擾動(dòng)原有流場(chǎng).同水流接觸的礁體側(cè)面與流體域底面采用無(wú)滑移固定壁面邊界，流體域前后兩側(cè)與頂部壁面設(shè)為對(duì)稱邊界，模擬無(wú)限流場(chǎng).

圖1 單礁體計(jì)算域及邊界條件設(shè)置

1.4計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分在計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分上，采用ANSYS中的Mesh模塊劃分成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.在礁體周?chē)?jì)算域進(jìn)行局部加密，使得更好地捕捉礁體附近的流場(chǎng)變化.遠(yuǎn)離礁體流體域劃分采用較大網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，單礁體網(wǎng)格劃分單元總數(shù)為1 565 810個(gè)，雙礁體網(wǎng)格劃分總數(shù)為1 894 780個(gè).一定程度上節(jié)約了計(jì)算成本，并保證魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)擁有良好的分辨效果，便于分析魚(yú)礁周?chē)牧鲌?chǎng)效應(yīng).

2 礁體不同布置形式的流場(chǎng)效應(yīng)分析

2.1單礁體流場(chǎng)效應(yīng)的分析評(píng)估由于魚(yú)礁周?chē)牧鲌?chǎng)分布情況與聚魚(yú)效應(yīng)密切相關(guān)，因此合理調(diào)整組合礁體間的布局方向和間距，可以實(shí)現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)的聚魚(yú)效果，文中定量研究魚(yú)礁影響下的有效面積，將無(wú)量綱化等速線Vˉ中所包含的面積作為量化因子，其中變量Vˉ由該處流場(chǎng)速度除以入口來(lái)流速度取得.在遠(yuǎn)離礁體影響下，Vˉ在流場(chǎng)中無(wú)量綱化速度大小趨近于1.研究流場(chǎng)的速度大小分布與聚魚(yú)效應(yīng)的關(guān)系，應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)上升流的分布及背渦緩流的遮蔽效應(yīng)，因此本文模擬無(wú)量綱速度小于1.0的分布情況，通過(guò)后處理軟件將等速線范圍分為0.1~1.0 m·s?1，區(qū)間為0.1 m·s?1，如圖2所示.為了進(jìn)一步研究礁體的影響區(qū)域范圍，定義無(wú)量綱化區(qū)域

圖2 單礁體的無(wú)量綱化速度場(chǎng)

其中，A為不同等速線間包圍的區(qū)域面積，L為礁體長(zhǎng)度，定義沿著水流方向布置礁體為縱向布設(shè)L x，垂直于水流方向布置為橫向布設(shè)L y，本文分別研究組合礁距在0.5L，1.0L，1.5L及2.0L情況下的流場(chǎng)影響區(qū)域.

水流運(yùn)動(dòng)至礁體迎流面，水流向上抬升并在礁體頂部形成上升流，文中取水域中水流垂直Y分量與來(lái)流速度的比值大于或等于5%定義為上升流區(qū)域［18］.如圖3所示，單礁體最大上升流速與來(lái)流速度比值約為0.597，上升流最大抬升高度與魚(yú)礁高度比值約為2.567，與黃遠(yuǎn)東等［18］的研究結(jié)果相近，一定程度上為下文多礁體流場(chǎng)效應(yīng)的研究奠定了基礎(chǔ).同時(shí)由于流體分離，礁后流速變緩并脫落形成小渦旋，在礁體后部形成背渦流區(qū).為了更好地研究魚(yú)礁影響后下游的流場(chǎng)變化，Liu等［19］將等速線覆蓋面積小于入口流速的0.8倍，定義為魚(yú)礁的庇護(hù)效應(yīng)，分析可得單礁體庇護(hù)影響長(zhǎng)度范圍約為7個(gè)礁長(zhǎng).

圖3 單礁體周?chē)俣确至糠植紙D（m·s?1）

2.2不同橫向布置間距組合的礁體流場(chǎng)效應(yīng)

2.2.1 雙礁體在橫向布設(shè)下的流場(chǎng)分析 圖4a、b、c、d分別給出了雙礁體的4種布設(shè)間距為0.5L、1.0L、1.5L與2.0L在中軸橫切面Y=0.075的流場(chǎng)矢量分布圖，由圖4可以看出，渦旋結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)速度較小，礁體背部渦旋速度主要分布在Vˉ＜0.3之間.與單礁相比，橫向布設(shè)組合魚(yú)礁背部形成更為清晰、穩(wěn)定的渦旋結(jié)構(gòu)，但隨著橫向布設(shè)間距的增大，雙礁體在橫向布設(shè)下的流態(tài)也更偏向單礁的流場(chǎng)分布.本文分別統(tǒng)計(jì)分析單礁、雙礁體、三礁體無(wú)量綱化速度包絡(luò)區(qū)域，雙礁體在不同橫向布設(shè)間距下的無(wú)量綱化速度場(chǎng)如圖5所示，表1列出計(jì)算后不同橫向布設(shè)間距下無(wú)量綱化面積-A的分布范圍.

圖4 雙礁體在不同橫向布設(shè)間距下Y=0.075平面的速度矢量分布（m·s?1）

圖5 雙礁體在不同橫向布設(shè)間距下的無(wú)量綱化速度場(chǎng)

由表1可得Vˉ＜0.9所庇護(hù)的無(wú)量綱化區(qū)域隨著布設(shè)間距的增大也越來(lái)越大，且雙礁體在Vˉ＜0.8的庇護(hù)下無(wú)量綱面積Aˉ約為單礁體的2.06~2.32倍.但無(wú)量綱化區(qū)域Aˉ在Vˉ＜0.3區(qū)間的庇護(hù)效應(yīng)隨著布設(shè)間距的增大而減小，主要原因是橫向布設(shè)間距不斷增大，魚(yú)礁兩邊側(cè)向流加速的主導(dǎo)作用使流場(chǎng)產(chǎn)生更明顯的影響，使得雙礁體的流場(chǎng)也更偏向單礁的流場(chǎng)分布，這與Liu等［19］的數(shù)值研究結(jié)果一致.因此，本文對(duì)于進(jìn)一步研究開(kāi)展三礁體及縱向布設(shè)的流場(chǎng)效應(yīng)具有重要意義.

表1 組合礁后不同布設(shè)間距下無(wú)量綱化面積A的區(qū)域范圍

2.2.2 三礁體在橫向布設(shè)下的流場(chǎng)分析 在單礁、雙礁體的研究基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步模擬分析了三礁體的流場(chǎng)效應(yīng).本文設(shè)定了3組橫向布設(shè)間距0.5L、1.0L與1.5L來(lái)研究三礁體周?chē)牧鲌?chǎng)變化.圖6和圖7分別給出了中軸橫切面下的速度矢量場(chǎng)與無(wú)量綱速度場(chǎng)的分布情況，分析可得不同布設(shè)間距下三礁體與雙礁體的流態(tài)結(jié)構(gòu)分布類(lèi)似.隨著布設(shè)間距的增大，三礁體不同橫向布設(shè)間距下無(wú)量綱化面積Aˉ也越來(lái)越大，但規(guī)模強(qiáng)度有所差異.

圖6 三礁體在不同橫向布設(shè)間距下Y=0.075平面的速度矢量分布（m·s?1）

圖7 三礁體在不同橫向布設(shè)間距下的無(wú)量綱化速度場(chǎng)

由表1可知，三礁體在Vˉ＜0.8的庇護(hù)區(qū)域隨著橫向布設(shè)間距的增大而增大，庇護(hù)無(wú)量綱面積Aˉ約為單礁體的2.58~3.06倍，是雙礁體的1.27~1.36倍.隨著布設(shè)間距的增大，魚(yú)礁兩邊的側(cè)向流加速主導(dǎo)作用也會(huì)影響礁體間的遮蔽效果，即三礁體在Vˉ＜0.3所包絡(luò)的區(qū)域隨著布設(shè)間距的增大而減小.且在Vˉ＜0.3下所包絡(luò)的無(wú)量綱面積Aˉ約為單礁體的3.12~3.21倍，是雙礁體的1.41~1.51倍，可以推斷出三礁體隨著橫向布設(shè)間距的增大，流經(jīng)礁體間及后側(cè)的水流量增大，礁體背部原有的渦旋結(jié)構(gòu)受到破壞，三礁體周?chē)鲬B(tài)也更偏向單礁的流場(chǎng)分布.為了實(shí)現(xiàn)更好的聚魚(yú)效應(yīng)，研究不同布設(shè)方向組合魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)也是必不可少的.

2.3不同縱向布置間距組合礁體的流場(chǎng)效應(yīng)

2.3.1 雙礁體在縱向布設(shè)下的流場(chǎng)分析 布設(shè)方向也是影響組合礁體周?chē)牧鲌?chǎng)效應(yīng)與穩(wěn)定性的重要因素之一，以下討論縱向布設(shè)下礁體周?chē)牧鲌?chǎng)分析評(píng)估.組合礁體在不同縱向布設(shè)間距下無(wú)量綱化面積-A的區(qū)域范圍見(jiàn)表2，隨著縱向布設(shè)間距的增大，Vˉ＜0.9所包含的庇護(hù)面積越大，無(wú)量綱速度Vˉ隨之增大，同時(shí)雙礁體中間形成的低流速緩流區(qū)域也隨著布設(shè)間距的增大而增大見(jiàn)圖8.當(dāng)布設(shè)間距增大到2.0L時(shí)，庇護(hù)面積開(kāi)始變小，為了保持更好的庇護(hù)效果，由此可以推斷橫向布設(shè)間距應(yīng)該控制在1.0~1.5L之間，這與文獻(xiàn)［17］水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本一致，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性.

表2 組合礁后在不同縱向布設(shè)間距下無(wú)量綱化面積的區(qū)域范圍

表2 組合礁后在不同縱向布設(shè)間距下無(wú)量綱化面積的區(qū)域范圍

?

圖8 雙礁體在不同縱向布設(shè)間距下的無(wú)量綱化速度場(chǎng)

4種縱向布設(shè)間距下雙礁體在Z=0平面上Y速度分量分布如圖9所示，當(dāng)水流運(yùn)動(dòng)到第一個(gè)礁體時(shí)，由于礁體的阻流作用與固壁面共同影響下，在兩個(gè)魚(yú)礁之間形成渦旋結(jié)構(gòu).且隨著布設(shè)間距的增大，礁體周?chē)臏u旋分布更廣，規(guī)模更大.布設(shè)間距為1.0L時(shí)見(jiàn)圖10（b），方型魚(yú)礁渦旋發(fā)育完全，且渦量分布結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定.但布設(shè)間距增至1.5L~2.0L時(shí)，由于水體從渦旋中脫落，渦量大小及分布范圍逐漸減小.因此，魚(yú)礁布設(shè)間距會(huì)對(duì)渦量大小和渦量分布范圍渦旋產(chǎn)生影響，當(dāng)魚(yú)礁布設(shè)間距為1.0L時(shí)更能產(chǎn)生有效、良好的流場(chǎng)調(diào)控效應(yīng)，發(fā)揮魚(yú)礁的集魚(yú)效果.方型人工魚(yú)礁在組合礁體的最大上升流速與來(lái)流速度比值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，上升流最大抬升高度與魚(yú)礁高度比值與單礁結(jié)構(gòu)接近，均為2.6左右.礁體背部渦旋速度主要分布在Vˉ＜0.3之間，綜上分析得縱向布設(shè)Vˉ＜0.3下無(wú)量綱面積Aˉ區(qū)間范圍更大，渦旋結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，在縱向布設(shè)的遮蔽效應(yīng)下的渦旋結(jié)構(gòu)比橫向布設(shè)有更好的魚(yú)類(lèi)聚集效果.

圖9 雙礁體在不同縱向布設(shè)間距在Z=0平面上Y速度分量分布圖（m·s?1）

2.3.2 三礁體在縱向布設(shè)下的流場(chǎng)分析 本文進(jìn)一步分析三礁體在縱向布設(shè)的流場(chǎng)效應(yīng)，由表2可知，Vˉ＜0.9所庇護(hù)的面積隨著布設(shè)間距的增大也越來(lái)越大，同時(shí)礁體間形成的緩流區(qū)也越來(lái)越大；但礁間距增大到2.0L時(shí)，Vˉ＜0.9所庇護(hù)的面積有所減小，因此三礁體縱向布設(shè)間距應(yīng)該控制在1.0L~1.5L之間；不同縱向布設(shè)間距下，三礁體在中軸縱橫切面下的Y速度分量分布與無(wú)量綱速度場(chǎng)見(jiàn)圖10和圖11，三礁體的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布與雙礁體類(lèi)似，上升流主要分布在第一個(gè)礁體的頂部向上一段區(qū)域，最大上升流流速貼近在第一個(gè)礁體頂部.由圖10（c）（d）可知，布設(shè)間距繼續(xù)增大為1.5L時(shí)，部分水體從渦旋上開(kāi)始脫落.三礁體Vˉ＜0.3下無(wú)量綱面積-A隨著布設(shè)間距的增大而增大，約為雙礁體的1.53~1.61倍，是單礁體的1.79~5.04，但由圖10（b）可知，想要保證良好的流場(chǎng)調(diào)控效應(yīng)，渦旋結(jié)構(gòu)最完整最穩(wěn)定的布設(shè)間距應(yīng)該設(shè)為1.0L.

圖10 三礁體在不同縱向布設(shè)間距下在Z=0平面上的Y速度分量分布圖（m·s?1）

圖11 三礁體在不同縱向布設(shè)間距下的無(wú)量綱化速度場(chǎng)

3 結(jié) 論

本文基于FLUENT的數(shù)值計(jì)算，仿真模擬在來(lái)流速度為1.0 m·s?1下，分別定量分析單礁、雙礁和三礁體在橫、縱方向的不同布設(shè)間距下的流場(chǎng)分析，研究統(tǒng)計(jì)魚(yú)礁背部的庇護(hù)效應(yīng)、渦旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與縱設(shè)礁體間的上升流強(qiáng)度與分布情況；結(jié)論如下：

1）單礁的背部沒(méi)出現(xiàn)顯著的渦流結(jié)構(gòu)，組合布設(shè)礁體間出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、規(guī)模較大的渦旋.雙礁、三礁體在不同布設(shè)情況下對(duì)上升流的強(qiáng)度及規(guī)模影響很小，但是對(duì)于礁后的背部渦流場(chǎng)影響較大.

2）在一定范圍內(nèi)，隨著布設(shè)間距的增大，礁后背部的渦量分布范圍更大；組合礁體縱向布設(shè)間距為1.0L時(shí)，方型魚(yú)礁渦量發(fā)育完全，且渦量分布結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，但隨著布設(shè)間距繼續(xù)增大，由于水體從渦旋上脫落出現(xiàn)分離擴(kuò)散，渦量大小及分布范圍明顯減小.縱向布設(shè)遮蔽效應(yīng)下的渦旋結(jié)構(gòu)較于橫向布設(shè)有更好的聚魚(yú)與流場(chǎng)調(diào)控效應(yīng).

3）隨著縱向布設(shè)間距的增大，組合雙、三礁體的最大上升流速與來(lái)流速度比值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，范圍在0.586~0.621之間，上升流最大抬升高度與魚(yú)礁高度比值與單礁結(jié)構(gòu)接近，均為2.6左右.