四角錐臺(tái)形人工魚礁斜面傾角變化對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響

呂澤硯，朱文斌，唐偉堯，管青龍，劉莉莉，張紋瑄，傅鑫洋

(浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江舟山 316022)

人工魚礁是人工投放于海底的漁業(yè)工程設(shè)施，可以有效地吸引魚群，為魚類提供適宜棲居、繁殖及躲避敵害的場(chǎng)所，從而有效地增殖魚類，養(yǎng)護(hù)漁業(yè)資源，提高漁業(yè)資源修復(fù)效率，改善水域生態(tài)環(huán)境[1-5]。許多沿海國(guó)家建立專門的組織，系統(tǒng)地實(shí)施沿海漁業(yè)修復(fù)工程項(xiàng)目，并加大人工魚礁的科學(xué)研究和開發(fā)投入。

由于人工魚礁的投放可以改變海域局部流場(chǎng)，所產(chǎn)生的上升流及渦流的影響可以改變沉積物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在水域中的分布[6-10]。因此，在人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)研究過(guò)程中，掌握其周圍流態(tài)的變化尤為關(guān)鍵。目前，關(guān)于人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)研究主要分為數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬主要集中在對(duì)不同結(jié)構(gòu)特性和不同工況下人工魚礁所在的海域流場(chǎng)分布進(jìn)行分析，而模型試驗(yàn)主要分為水槽試驗(yàn)[11-13]、PIV 模型試驗(yàn)等。劉洪生等[14]和李珺等[15]借助水槽實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)數(shù)值模擬研究的可行性；隨著數(shù)值模擬技術(shù)在人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)研究的深入，在礁體開孔情況[16-19]、礁體形狀[20-22]、礁體布設(shè)間距[23]、投放個(gè)數(shù)與組合方式[24-26]等諸要素對(duì)人工礁體流場(chǎng)效應(yīng)的影響研究方面，取得了一定進(jìn)展。其中單個(gè)礁體的研究均表明礁體形狀的變化對(duì)繞流情況有顯著影響。

人工魚礁的設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮流場(chǎng)效應(yīng)以及造礁材料的成本問(wèn)題。魚礁按外觀可分為正方體形、多面體形、錐形、圓筒形、半圓形等多種形狀，對(duì)錐形魚礁而言，傾斜角是影響魚礁周圍流場(chǎng)的因素之一，不同的傾斜角會(huì)對(duì)上升流效應(yīng)及流場(chǎng)變化有較大影響。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于不同傾斜角情況下的魚礁流場(chǎng)效應(yīng)研究未見報(bào)道。因此，本研究以四角錐臺(tái)形魚礁為例，在保持魚礁等底等高的情況下，預(yù)設(shè)5 種不同的斜面傾角，建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型，通過(guò)有限元分析軟件(ANSYS)對(duì)其周圍流態(tài)進(jìn)行仿真模擬，揭示不同傾斜角變化對(duì)人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響，以期為四角錐臺(tái)形人工魚礁的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型

該模擬計(jì)算的流體范圍為長(zhǎng)30 m、寬16 m、高16 m 的長(zhǎng)方體區(qū)域，來(lái)流方向水平從左至右(圖1)。計(jì)算所用魚礁模型為正四角錐臺(tái)形人工魚礁，底面正方形邊長(zhǎng)為3 m，高度為3 m，在等底等高的情況下，通過(guò)改變頂面正方形邊長(zhǎng)以改變斜面傾角,由此得到5 個(gè)魚礁模型(表1)。表1 中傾斜角在文章中指的是礁體側(cè)面與底面所成的夾角，即斜面傾角，邊長(zhǎng)比(α)為正四角錐臺(tái)形魚礁上表面正方形邊長(zhǎng)(D)與下表面正方形邊長(zhǎng)之比(L)，即α=D/L。等距改變頂面邊長(zhǎng)得到5 個(gè)邊長(zhǎng)比為0.2、0.4、0.6、0.8、1，對(duì)應(yīng)5 種情況的傾斜角分別為68.2°、73.3°、78.7°、84.3°、90°。由于本研究只考慮傾斜角作為單一變化因素，考慮到開孔狀態(tài)對(duì)流場(chǎng)的干擾，故模型做無(wú)孔設(shè)計(jì)。圖2 和圖3 分別為傾斜角73.3°(即上底邊1.2 m，上下正方形邊長(zhǎng)比為0.4)的人工魚礁的正視圖與俯視圖。魚礁底部所置地面設(shè)為Z=0 m 的X-Y 平面，坐標(biāo)原點(diǎn)在魚礁底部中心點(diǎn)處。魚礁迎流面底邊離計(jì)算域入口8.5 m(礁體高度的2.8 倍)，魚礁背流面底邊離計(jì)算域出口18.5 m(礁體高度的6.2 倍)，礁體上表面離計(jì)算域頂部13 m(礁體高度的4.3 倍)，礁體中心點(diǎn)到計(jì)算域兩側(cè)的距離為8 m(礁體高度的2.6 倍)。

圖1 流體計(jì)算域Fig.1 Fluid computational domain

圖2 礁體俯視圖Fig.2 Vertical view of artificial reef

圖3 魚礁正視圖Fig.3 Front view of artificial reef

表1 四角錐臺(tái)形人工魚礁的結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Structure parameters of artificial reef

1.2 控制方程

該研究為探究魚礁周圍的流場(chǎng)效應(yīng)的時(shí)間平均流特性，假定模型中流體為粘性不可壓縮流體。水流控制方程采用定常、不可壓縮流動(dòng)下的連續(xù)性方程和Navier-Stokes 方程(N-S 方程)[27]：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：u、v、w 分別為x、y、z 方向上的速度分量，m·s-1；v 為流體的運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)，m2·s-1；t 為時(shí)間，s；ρ 為流體密度，kg·m-3；p 為壓強(qiáng)，Pa；fx、fy、fz分別為x、y、z 方向上的單位質(zhì)量力，m·s-2。

1.3 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，應(yīng)用計(jì)算軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方式，劃分成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。礁體附近區(qū)域最大層數(shù)設(shè)為8，增長(zhǎng)率設(shè)為1.2，使數(shù)值模擬時(shí)可捕捉礁體的幾何細(xì)節(jié)；在其他區(qū)域網(wǎng)格最大尺寸設(shè)為0.6 m。

1.4 邊界條件

邊界條件的設(shè)置，進(jìn)口條件均設(shè)置為速度進(jìn)口。通常情況下，近岸海水流速為1 m·s-1以內(nèi)，以杭州灣為例，潮流平均速度約為0.2 m·s-1，而在漲落潮時(shí)平均速度達(dá)0.8 m·s-1[28]。故設(shè)置4 種流速分別為0.2、0.4、0.6 以及0.8 m·s-1。出口條件設(shè)置為壓力出口。計(jì)算域兩側(cè)面以及頂面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。所有固體均采用無(wú)滑移條件。

1.5 數(shù)值算法

計(jì)算在ANSYS fluent 平臺(tái)上完成。壓力速度耦合用SIMPLEC 算法，壓力項(xiàng)處理則用standard 差分格式[35]，各方程的空間離散均采用QUICK 格式[36]，計(jì)算殘差值取10-5，計(jì)算的最大迭代步數(shù)在多次計(jì)算過(guò)程中平均500 步以后轉(zhuǎn)為平穩(wěn)，所以取500 步。

2 結(jié)果與分析

上升流會(huì)把深水區(qū)大量的海水營(yíng)養(yǎng)鹽(磷酸鹽、硝酸鹽等)帶到表層，為魚類生長(zhǎng)帶來(lái)豐富的餌料，因此，上升流顯著的海區(qū)經(jīng)常會(huì)形成著名的漁場(chǎng)。此外，水流流經(jīng)礁石時(shí)，在礁石后面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漩渦區(qū)，即背渦流，渦流速度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。許多研究表明，魚類常常聚集在珊瑚礁周圍，因?yàn)槠浔沉鲄^(qū)內(nèi)的不同水層更容易相互混合，其營(yíng)養(yǎng)鹽以及溶解鹽也會(huì)高于正常水域，可以為魚類提供有利的生長(zhǎng)環(huán)境[29-30]，且背渦流的影響效應(yīng)與背渦區(qū)內(nèi)部流態(tài)的范圍大小、漩渦強(qiáng)度及大小等因素相關(guān)。因此，上升流以及背渦流的整體規(guī)模、渦量強(qiáng)度、速度方向等參數(shù)是衡量人工魚礁效益的重要指標(biāo)。

2.1 不同速度下的上升流與背渦流

文章以表1 中模型c(邊長(zhǎng)比0.6，傾斜角78.7°)為計(jì)算模型，對(duì)不同速度下的礁體周圍流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖4、圖5、圖6 分別為不同流速(0.2、0.4、0.6、0.8 m·s-1)下礁體周圍水流在y=0 m 平面(側(cè)面圖)的速度矢量分布、渦量分布以及z=0.5 m 平面(俯視圖)的速度矢量分布。為對(duì)各個(gè)速度下的情況進(jìn)行合理比較，將各種情況下的比色棒所代表的速度統(tǒng)一大小區(qū)間。由于4 種來(lái)流速度是逐漸增大的，因此圖4 和圖6 中的4 幅圖在主色調(diào)上有明顯差異。

從速度矢量分布來(lái)看，不同來(lái)流速度，相同傾斜角的情況下，魚礁周圍流場(chǎng)的變化趨勢(shì)相近，具體表現(xiàn)為流體變化的速度方向和影響范圍相似，但是流速大小有明顯差異(圖4、圖6)。另外，4 種速度下，渦量最大處均出現(xiàn)于魚礁迎流面與上表面交匯處，還可以清晰地看出渦量較大處的規(guī)模隨來(lái)流速度的增大同步增長(zhǎng)，且其分布于后方延長(zhǎng)處(圖5)。

圖4 4 種不同來(lái)流速度下y=0 平面上的速度矢量分布圖(α=0.6)Fig.4 Velocity vector distribution on the plane y=0 at 4 different inflow velocities (α=0.6)

圖5 4 種不同來(lái)流速度下y=0 平面上的渦量分布云圖(α=0.6)Fig.5 Vorticity distribution cloud maps on the y=0 plane at four different inflow velocities (α=0.6)

圖6 4 種不同來(lái)流速度下z=0.5 m 平面上的速度矢量分布圖(α=0.6)Fig.6 Velocity vector distribution on the plane z=0.5 m at 4 different inflow velocities (α=0.6)

2.2 不同傾斜角下的上升流、背渦流、側(cè)向流

根據(jù)礁體傾斜角的不同，迎流面的上后方會(huì)形成規(guī)模大小不等的上升流，由圖7 可知，傾斜角大的魚礁繞流的影響高度以及寬度都大于傾斜角小的繞流，且上升流規(guī)模大小隨著傾斜角的增大而增大，這是由于隨著迎流面積的增大，阻水能力增強(qiáng)所導(dǎo)致的。

從側(cè)視角度(y=0 m 平面)來(lái)看，魚礁后方的背渦流是一個(gè)順時(shí)針漩渦，且隨著魚礁傾斜角的增大，它的基本形態(tài)不變，規(guī)模略微增大，渦心則向上偏移，且水平高度始終低于魚礁頂面高度(圖7)。

圖7 5 種不同傾斜角下y=0 m 平面上的速度矢量分布圖(v=0.4 m·s-1)Fig.7 Velocity vector distribution on the plane y=0 m at 5 different inclination angles (v=0.4 m·s-1)

魚礁周圍水體不僅會(huì)形成上升流，還會(huì)形成側(cè)向流，且該平面內(nèi)的速度最大處也出現(xiàn)在側(cè)向流內(nèi)，側(cè)向流規(guī)模隨著傾斜角的增大而增大，如圖8 所示。在礁體迎流面兩側(cè)后方均會(huì)形成2 個(gè)方向相反的漩渦，這兩個(gè)漩渦會(huì)形成1 個(gè)大漩渦區(qū)(即背渦區(qū))，且在相同來(lái)流速度下，傾斜角越大，其背渦區(qū)內(nèi)的兩個(gè)相反漩渦均更明顯。背渦區(qū)的寬度以及長(zhǎng)度均隨傾斜角的增大而增大，且增幅較大。另外，當(dāng)傾斜角越大，其后方的流態(tài)更為雜亂，這可能是由于傾斜角大的魚礁在z=0.5 m 平面上方的體積更大，導(dǎo)致其對(duì)與z=0.5 m平面魚礁后方的流態(tài)影響更為明顯。

圖8 5 種不同傾斜角下z=0.5 m 平面上的速度矢量分布圖(v=0.4 m·s-1)Fig.8 Velocity vector distribution in the plane z=0.5 m with 5 different inclination angles(v=0.4 m·s-1)

圖9 為5 種不同傾斜角下y=0 m 的平面上的渦量分布云圖，該圖顯示不同傾斜角的魚礁渦量最大值均出現(xiàn)在迎流面與魚礁上表面相交處，但渦量范圍差異并不明顯，且除迎流面上方與上表面相交處的一小段弧形外，其余區(qū)域的渦量幾乎為0。

圖9 5 種不同傾斜角下y=0 m 平面上的渦量分布云圖(v=0.6 m·s-1)Fig.9 Vorticity distribution cloud maps on y=0 m plane under 5 different inclination angles (v=0.6 m·s-1)

3 討論與分析

3.1 相同傾斜角下的產(chǎn)生的展向渦和流向渦與背渦流的聯(lián)系

當(dāng)來(lái)流受到無(wú)孔礁體斜面的阻擋，流場(chǎng)有一個(gè)主要的流向時(shí)，流經(jīng)礁體上表面的水體在其上方形成三角狀渦旋區(qū)，產(chǎn)生了一個(gè)橫向的渦，該渦旋與SWEARINGEN，et al[37]提到的對(duì)流向渦的概念相符合。而發(fā)現(xiàn)因無(wú)孔礁體斜面阻擋，來(lái)流在礁體斜面形成一對(duì)附著在其上的渦旋區(qū)，渦的方向和此流向垂直的渦旋也與WILLIAMSON[34]提到的展向渦描述相符。在穩(wěn)定流中，由于魚礁的不同面間構(gòu)成交線(如迎流面與頂面)導(dǎo)致流體分離。隨著流體連續(xù)流動(dòng)，不斷有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定漩渦產(chǎn)生在分離點(diǎn)下游的壁面上，且不斷從壁面上脫落，形成尾跡流。而脫落的漩渦將隨流體對(duì)流發(fā)生粘性擴(kuò)散，正是因?yàn)檎承詳U(kuò)散作用，漩渦的渦流強(qiáng)度在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷減弱，直至消亡。從礁體壁面脫落的漩渦帶有大量能量，該能量的產(chǎn)生與消耗具體表現(xiàn)是在礁體上施加一個(gè)阻力。同一傾斜角的魚礁，在不同來(lái)流速度作用下，其周圍所產(chǎn)生的流速大小、渦量大小有明顯差異，將展向渦和流向渦與背渦流流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比觀察后發(fā)現(xiàn)，展向渦寬度與背渦流流場(chǎng)寬度近似相等，流向渦高度大于展向渦高度，流向渦渦心位置處的渦流高度與背渦流的高度近似相等，展向渦和流向渦長(zhǎng)度近似相等，并且與背渦流的長(zhǎng)度近似相等，與李曉磊等[31]的研究描述高度相似。而速度方向及影響規(guī)模等變化的差異不大，這與黃遠(yuǎn)東等[20]的研究結(jié)果一致。

3.2 傾斜角對(duì)上升流影響

OGAWA[2]、黃遠(yuǎn)東等[17]、何文榮等[22]和姜少杰等[32]將水流Z 方向速度分量與來(lái)流速度之比大于5%的水域作為上升流區(qū)域，本研究中亦據(jù)此選取上升流數(shù)據(jù)。

通過(guò)分析y=0 m 平面內(nèi)的Z 方向的速度分量分布，求得上升流參數(shù)Hm/H(最大高度Hm 與礁體高度H 之比),得到上升流作用高度與礁體傾斜角之間的關(guān)系。圖10 為在4 種不同來(lái)流速度下，各礁體所形成的最大上升流高度與礁體高度之比的折線圖。根據(jù)前人的研究，得到梯形人工魚礁Hm/H 值為2.49，箱形人工魚礁Hm/H 值為2.63，姜少杰等通過(guò)對(duì)正六棱柱式人工魚礁的模擬計(jì)算得到Hm/H為2.85，而文章中正四角錐臺(tái)形魚礁Hm/H 范圍在2.25～2.8 之間，與前人的結(jié)論相近。當(dāng)來(lái)流速度相同時(shí)，隨著傾斜角的增加，曲線a(傾斜角68.2°)變化到曲線b(傾斜角73.3°)的過(guò)程中，上升流作用最大高度(Hm)與礁體高度(H)之比Hm/H 增速較大，而在曲線d(傾斜角84.3°)之后，雖然Hm/H 依然在增加，但是增速明顯放緩。a、b 兩種情況在低速條件下(0.2～0.4 m·s-1),其速度增加使Hm/H 有一定的提高，但大多數(shù)情況下，隨著速度的增大，上升流最大高度與魚礁高度之比Hm/H 幾乎不變化，即來(lái)流速度的變化與上升流最大高度無(wú)明顯的相互關(guān)系。

圖10 不同傾斜角、不同來(lái)流速度下Hm/HFig.10 The ratio of maximum upwelling height to reef height under different inclination angles and different inflow velocities

3.3 傾斜角對(duì)背渦流影響

本研究中數(shù)值計(jì)算試驗(yàn)的背渦流模擬結(jié)果與TENEDA[30]采用流體顯示技術(shù)，在低雷諾數(shù)時(shí)圓柱繞流產(chǎn)生的圓柱尾渦(雙渦)的結(jié)果相吻合，TENEDA的試驗(yàn)結(jié)論目前仍是數(shù)值模擬工作者驗(yàn)證算法準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)之一。漩渦的流速分布為由外向內(nèi)逐漸減小，渦心處流速趨近于零，該結(jié)論與李曉磊等[31]的研究結(jié)果一致。

對(duì)背渦流的最大渦量值進(jìn)行分析，如圖11 所示，隨著來(lái)流速度的增大，最大渦量值也會(huì)隨之增大，且其呈線性關(guān)系。而來(lái)流流速相同的情況下，隨著傾斜角的增大，最大渦量值呈現(xiàn)出一種先增后減的趨勢(shì)，且當(dāng)傾斜角為78.7°時(shí)，相較于其余4 種情況，最大渦量值達(dá)到峰值。通過(guò)與何文榮等[22]的金字塔型魚礁后方背渦流情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，文章中5 種傾斜角的魚礁的背流區(qū)高度均高于金字塔型魚礁的背流區(qū)，這是由于本研究中的魚礁的背流面面積均大于金字塔型魚礁，且迎流面與地面的夾角同樣大于金字塔型魚礁。

圖11 不同傾斜角、不同來(lái)流速度下在y=0 平面的最大渦量值(s-1)Fig.11 The maximum vorticity value in the y=0 plane under different inclination angles and different inflow velocities (s-1)

4 結(jié)論

文章基于ANSYS 有限元分析軟件，對(duì)不同傾斜角的四角錐臺(tái)形人工魚礁在水流中的三維流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。文中對(duì)不同流速情況下同一傾斜角魚礁礁體周圍流態(tài)情況進(jìn)行了分析，并在同一流速下改變礁體傾斜角，就上升流和背渦流的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行比較。由此得出以下結(jié)論：

(1)在不同來(lái)流速度下，同種傾斜角魚礁周圍流場(chǎng)流速大小、渦量大小有明顯差異，但是流體變化趨勢(shì)即速度方向和影響范圍相似。

(2)通過(guò)分析y=0 m 平面以及z=0.5 m 平面上流體的速度分布，揭示傾斜角對(duì)人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)具有顯著影響：1)礁體迎流面與上表面交匯處形成流動(dòng)分離點(diǎn)，在礁體上表面形成小漩渦區(qū)，在礁體后方形成尾渦區(qū)。2)最大上升流高度與礁體高度之比以及上升流的規(guī)模大小均隨傾斜角的增大而增大，其值與來(lái)流速度大小無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。3)魚礁的傾斜角越大，其背流區(qū)規(guī)模越大。4)隨著傾斜角的增大，魚礁背部的尾渦基本形態(tài)不變，規(guī)模略微增大，渦心向上偏移，且水平高度始終低于魚礁頂面高度。5)傾斜角越大，魚礁后方流態(tài)越雜。

(3)通過(guò)分析y=0 平面上流體的渦量分布，得出：1)魚礁迎流面上方與上表面相交處為渦量值最大處，其他區(qū)域的渦量幾乎為0。2)來(lái)流速度相同的情況下，隨傾斜角的增大，最大渦量值呈現(xiàn)一種先增大后減小的趨勢(shì)，相較于另外4 種情況，當(dāng)傾斜角為模型c 情況下(78.7°)，最大渦量值達(dá)到峰值。

本研究尚存在一定不足之處，首先是未能開展模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。此外，為單純研究?jī)A斜角的影響，魚礁被設(shè)計(jì)為無(wú)孔模型，避免開孔后流體干擾，但是，實(shí)際應(yīng)用中的魚礁勢(shì)必為有孔設(shè)計(jì)。以上問(wèn)題在后續(xù)的研究工作中將進(jìn)一步修正和完善，為人工魚礁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面的參考依據(jù)。