六角型人工魚礁流場效應數(shù)值模擬

魏麗瑩，張寧川＊

（大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

目前，國內外關于人工魚礁的相關研究多是從不同結構型式、不同來流速度和迎流角度等條件下對流場進行模擬或試驗。其中人工魚礁的結構類型豐富，并且針對特定的人工魚礁結構，可以對特有的相關結構參數(shù)進行優(yōu)化，如人工魚礁的單體開口比、開孔方式等。除單礁體模型的研究外，多礁體模型中不同礁體之間的布設間距和布置方式成為影響流場效應的重要因素。由此可見，人工魚礁的結構型式、特有的相關參數(shù)、礁體之間的布設間距和布置方式以及投放的外部環(huán)境均會影響到人工魚礁的流場效應[1-5]。六角型人工魚礁是一種新型魚礁結構型式，由六邊形多層結構框架、傾斜導流板和支撐腳組成。六角型人工魚礁構造復雜，結構內部的空腔較大，其透水特性使得水流在通過結構整體時不會顯著地沿著固定邊界剝離，有效減小旋渦結構的生成，更易于構造適宜魚類生存的柔和流場。但相關六角型人工魚礁流場效應的研究文獻較少，故本文對六角型人工魚礁流場效應進行研究。

考慮到Fluent 能夠實現(xiàn)對物理現(xiàn)象的模擬與分析，如流體流動、熱交換等。同時，還可以對計算的結果進行后處理，包括速度、壓力等。因此，本文基于Fluent軟件研究不同水動力條件對六角型人工魚礁流場效應的影響，旨在為評估人工魚礁產(chǎn)生的流場效應提供參考。

1 數(shù)值模型建立

1.1 人工魚礁模型及位置坐標系

礁體采用框架結構，整體由多層框架、傾斜導流板和支撐腳組成。礁體模型見圖1。

圖1 六角型人工魚礁

坐標系原點位于水底六角型魚礁幾何中心處，按照左手螺旋法則定義笛卡爾坐標系。

圖2 位置坐標系

1.2 控制方程及邊界條件

人工魚礁水動力學數(shù)值模型的基本方程為連續(xù)方程與動量守恒方程。

數(shù)值水槽的左邊界設置為速度入口邊界條件；上方邊界設置為對稱邊界條件；右端邊界設置為自由出流邊界條件；水槽的底部及兩側邊界設置為壁面邊界條件。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用FLUENT的Meshing模塊對水槽進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格選用六面體核心非結構化網(wǎng)格，對人工魚礁處網(wǎng)格進行加密，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模型驗證

劉揚采用物理試驗的方法對六角型人工魚礁的流場效應進行了研究[6]，本文對該試驗條件進行數(shù)值模擬。根據(jù)圖4和圖5可知，試驗和數(shù)值模擬兩種方法下上升流和緩流區(qū)域的面積結果差別不大，從而驗證了數(shù)值模型的準確性。

圖4 上升流區(qū)域面積隨水流流速變化

圖5 緩流區(qū)域面積隨水流流速變化

3 計算結果與分析

定義上升流區(qū)域為垂向速度分量與來流速度之比≧10%的區(qū)域，緩流區(qū)域為水平向速度分量與來流速度之比≦70%的區(qū)域。研究考慮水流的流速和流向兩個參數(shù)對六角型人工魚礁流場效應的影響。其中，流速為0.5～4.0m/s、流向為0～30°、礁高3m、魚礁外部直徑6m、水深10m。

3.1 來流流速對流場效應的影響

圖6 流場效應隨水流流速變化（上升流區(qū)域）

圖7 流場效應隨水流流速變化（緩流區(qū)域）

由圖可知： 隨著水流流速的增加，上升流區(qū)域的面積呈現(xiàn)出先增加再減少的趨勢；緩流區(qū)域相對面積的變化趨勢并不明顯。其中，水流流速為0.5m/s 時，產(chǎn)生的緩流區(qū)域的相對長度和相對面積最大。

3.2 來流流向對流場效應的影響

圖8 流場效應隨水流流向變化（上升流區(qū)域）

圖9 流場效應隨水流流向變化（緩流區(qū)域）

由圖可知：隨著流向角度的增加，上升流的相對高度和面積均呈現(xiàn)出下降的趨勢；緩流區(qū)域的相對長度和面積下降趨勢顯著。緩流區(qū)域長度的變化范圍約為5～6倍的魚礁長度，面積約為2～3 倍的魚礁面積。其中，流向角度為0°時，緩流區(qū)域的相對長度和相對面積最大。

4 結論

本文基于Fluent 軟件，采用數(shù)值模擬的方法對六角型人工魚礁周圍流場進行模擬，在水流條件下討論了水流的流向和流速對六角型人工魚礁流場效應的影響。

（1）當水流流速在0.5m/s～4.0m/s 范圍內變化時，上升流的相對面積在1.9～2.0 范圍內變化，緩流區(qū)域的面積約為來流向魚礁投影面積的3～4 倍。其中，水流流速為0.5m/s 時，產(chǎn)生的緩流區(qū)域的相對長度和相對面積最大。因此，在工程實際應用中魚礁應投放在水流較緩的海域。

（2）當流向角度為0°～30°時，緩流區(qū)域長度的變化范圍約為5～6 倍的魚礁長度，面積約為2～3倍的魚礁面積。上升流區(qū)域和緩流區(qū)域的相對面積均隨著流向角度的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢，其中，流向角度為0°時產(chǎn)生的上升流區(qū)域和緩流區(qū)域的相對面積最大。因此，在工程實際應用中魚礁應迎流擺放。