不同側(cè)板結(jié)構(gòu)對(duì)八棱柱型人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響

戚福清，林 軍,2*，張清雨

(1.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)，海洋牧場(chǎng)工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

近年來(lái)，受氣候變化、環(huán)境污染和過(guò)度捕撈等影響，海洋生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，海洋生物量和多樣性急劇下降，而投放人工魚礁、建設(shè)海洋牧場(chǎng)是改善海洋生態(tài)環(huán)境，保護(hù)海洋生物資源的重要措施[1]。人工魚礁作為人為投放在水域中的構(gòu)造建筑物，通過(guò)改變?cè)兴鹘Y(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到改善沿海水域生態(tài)環(huán)境以及聚集魚類的效果。人工魚礁功能的發(fā)揮受礁體結(jié)構(gòu)及其擺放位置影響[2-4]。就礁體結(jié)構(gòu)而言，不同的礁體形狀[5-9]、同一礁體開口的大小、數(shù)量和形狀[10-11]、導(dǎo)流板角度和開口孔徑大小[12-13]等均會(huì)對(duì)人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生影響；就魚礁擺放位置而言，不同的海底條件[14]和不同的迎流角度[8-9]也會(huì)對(duì)人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生影響。

研究人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)常用方法包括物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬廣泛地應(yīng)用于各種研究。相對(duì)于物理模型實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬不僅用時(shí)短，還能觀測(cè)到更多物理模型實(shí)驗(yàn)無(wú)法得到的數(shù)據(jù)。眾多學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了研究[15-21]。但數(shù)值模擬方法也存在缺點(diǎn)，如過(guò)于簡(jiǎn)化所模擬的環(huán)境，因此需采用物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證以保證數(shù)值模擬的精度。有研究利用物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，表明數(shù)值模擬結(jié)果和物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差較小，數(shù)值模擬可用于人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)相關(guān)研究[22-29]。

八棱柱型人工魚礁作為十字翼型人工魚礁[30]的衍生礁體，具有穩(wěn)定性好、表面積和空方體積更大的特點(diǎn)。本研究將以雙層八棱柱型人工魚礁為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，研究不同側(cè)板結(jié)構(gòu)對(duì)八棱柱型人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響，進(jìn)而對(duì)八棱柱型人工魚礁礁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以期為礁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 魚礁模型

實(shí)驗(yàn)設(shè)置4 種雙層八棱柱型人工魚礁模型，分別是2 種單層側(cè)板型：?jiǎn)蜗聦觽?cè)板的A 型和單上層側(cè)板的B 型，2 種雙層側(cè)板型：上下層均為垂直側(cè)板的C 型和下層為垂直側(cè)板、上層為傾斜側(cè)板的D 型(圖1)。魚礁整體長(zhǎng)5 m，寬5 m，高4 m(圖2)，礁體框架寬度為0.25 m，側(cè)板厚度為0.125 m。對(duì)于C 型和D 型礁體，本實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了4 種迎流角度(圖3)，不同迎流角度下各礁型的迎流面投影面積如表1 所示。

表1 4 種礁體迎流面投影面積相關(guān)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of upstream surface projection area of four types of reef

圖1 4 種八棱柱型人工魚礁模型(a) A 型礁，(b) B 型礁，(c) C 型礁，(d) D 型礁；圖9 同。Fig.1 Four octagonal prism artificial reef models(a) type A,(b) type B,(c) type C,(d) type D;the same as fig.9.

圖2 八棱柱型人工魚礁尺寸示意圖(單位：m)(a) 礁體俯視圖，(b) 礁體側(cè)視圖。Fig.2 Schematic diagram of octagonal prism artificial reef (unit:m)(a) top view of the reef,(b) side view of reef.

圖3 4 種迎流角度示意圖(a) 0°迎流，(b) 15°迎流，(c) 30°迎流，(d) 45°迎流。Fig.3 Schematic diagram of four upstream angles(a) 0°upstream,(b) 15°upstream,(c) 30°upstream,(d) 45°upstream.

1.2 數(shù)值模型的設(shè)置

控制方程和湍流模型 采用常用的計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS fluent。實(shí)驗(yàn)計(jì)算不涉及能量輸運(yùn)，主要受質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律控制[31]。湍流模型采用大渦模擬，大渦模擬是一種非直接數(shù)值模擬的湍流模型，主要通過(guò)分別處理大尺度渦和小尺度渦進(jìn)行模擬分析，利用濾波函數(shù)將大尺度和小尺度渦分離，湍流中的大尺度渦由瞬時(shí)Navier-Stokes 方程(N-S方程)直接模擬，小渦對(duì)大渦的影響采用近似模擬得到[21,31-32]。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

式中，ux、uy、uz分別為x、y、z3 個(gè)方向的速度分量，t為時(shí)間，P為壓強(qiáng)，ρ為密度，ν為水體的黏性系數(shù)，f x、f y、f z為3 個(gè)方向的單位質(zhì)量力，?表示散度。

計(jì)算域和網(wǎng)格劃分 計(jì)算域大小為200 m×30 m×20 m(長(zhǎng)×寬×高)，礁體中心距進(jìn)口距離為6倍礁體長(zhǎng)度，距兩側(cè)壁面的距離各為3 倍礁體長(zhǎng)度(圖4)。網(wǎng)格劃分在Workbench 的Meshing 模塊中完成。網(wǎng)格單元采用能很好適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格。為了更好捕捉礁體周圍的水流流態(tài)，實(shí)驗(yàn)對(duì)礁體周圍網(wǎng)格適當(dāng)加密，以礁體底部中心，呈球狀向周圍擴(kuò)散，網(wǎng)格尺寸逐漸增加[30](圖5)，最小網(wǎng)格尺寸為0.125 m，即為魚礁框架厚度的1/2。網(wǎng)格質(zhì)量檢查采用skewness 參數(shù)，其值小于0.7，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖4 計(jì)算域(單位：m)Fig.4 Computational domain (unit:m)

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of meshing

邊界條件 進(jìn)口和出口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口流速設(shè)置為東海區(qū)小潮典型底層漲落急流速0.5 m/s 和大潮典型底層流速0.9 m/s，出口流速設(shè)置為-0.5 m/s 和-0.9 m/s，計(jì)算域頂面和兩側(cè)壁面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件(symmetry)，底部以及魚礁設(shè)置為無(wú)滑移壁面條件(wall)。

1.3 水槽實(shí)驗(yàn)

水槽實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)在上海海洋大學(xué)水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)水槽為U 型水槽，水槽的底部和側(cè)壁均為鋼化玻璃材質(zhì)。實(shí)驗(yàn)在水槽的直道段完成，水槽直道長(zhǎng)6 m，寬0.45 m，高0.55 m。流速測(cè)量采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV，Particle Image Velocimetry)，示蹤粒子采用粒徑為50 μm的聚氯乙烯粉末。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞑捎脦缀蜗嗨?。綜合考慮魚礁和實(shí)驗(yàn)水槽尺寸，取比例尺為1∶45.45，魚礁模型長(zhǎng)寬高分別為11、11 和9 cm，框架厚度為5.5 mm。為保證魚礁在實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)定性，魚礁模型底部采用鋼板材料；框架和側(cè)板采用易透過(guò)激光的有機(jī)玻璃材料。實(shí)驗(yàn)時(shí)，魚礁擺放于距水槽進(jìn)口2.45 m 處的水槽中央，水深36 cm。實(shí)驗(yàn)速度以數(shù)值模擬流速0.9 m/s 為例，根據(jù)Froude 準(zhǔn)則，其對(duì)應(yīng)的水槽流速為0.133 m/s。分別拍攝距水槽底部4 cm(平面1)和6 cm(平面2)平面。每個(gè)平面設(shè)置3 條流速測(cè)線，分別為流速線a、b、c(圖6)，流速線間距為10 cm；每條流速線上設(shè)置7 個(gè)流速點(diǎn)，流速點(diǎn)間距為1 倍礁高(9 cm)，其中流速線b 點(diǎn)2 位于魚礁中心，水槽實(shí)驗(yàn)無(wú)法獲取其流速，因此該點(diǎn)不參與對(duì)比和討論。

圖6 魚礁位置及流速測(cè)量點(diǎn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of fish reef location and velocity measuring point

數(shù)值模擬共設(shè)置2 種，大尺寸數(shù)值模擬和小尺寸數(shù)值模擬。大尺寸數(shù)值模擬的計(jì)算域和前文所述一致，流速測(cè)線和流速點(diǎn)的位置根據(jù)比例尺確定，保證相對(duì)位置與水槽實(shí)驗(yàn)一致，平面1 和2 分別距底部1.818 和2.727 m，流速線間距為4.545 m，流速點(diǎn)間距為4.090 m。小尺寸數(shù)值模擬計(jì)算域的設(shè)置和水槽一致，設(shè)置為6 m×0.45 m×0.36 m，網(wǎng)格劃分方法以及邊界條件等的設(shè)置和大尺寸數(shù)值模擬一致，保證網(wǎng)格最小尺寸為礁體框架厚度的1/2，相關(guān)流速點(diǎn)的提取和水槽實(shí)驗(yàn)一致。

Froude 數(shù)(Fr)計(jì)算公式：

為保證模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)Froude 數(shù)一致，需滿足:

由此可得到水槽物理模型實(shí)驗(yàn)和原型尺寸數(shù)值模擬的流速計(jì)算公式：

式中，v是速度，g是重力加速度，下標(biāo)a 表示原型，下標(biāo)m 表示模型，λl表示比例尺。

1.4 流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)和數(shù)據(jù)處理方法

上升流區(qū)范圍及評(píng)價(jià)指標(biāo) 上升流區(qū)范圍為垂向(z軸)分速度大于來(lái)流速度10%(w10)、15%(w15)和20%(w20)的區(qū)域[30,33]，上升流區(qū)體積即是上升流區(qū)域所占的空間體積。

背渦流區(qū)范圍及評(píng)價(jià)指標(biāo) 背渦流區(qū)范圍為水平向(x 軸)流速的絕對(duì)值小于來(lái)流速度的40%(v40)、60%(v60)和80%(v80)的區(qū)域，背渦流區(qū)體積即是背渦流區(qū)域所占的空間體積。

為了降低流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)的誤差，上述上升流區(qū)和背渦流區(qū)指標(biāo)均進(jìn)行3 個(gè)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)。

輸運(yùn)通量 輸運(yùn)通量(Q)可用于測(cè)量水體的輸運(yùn)能力[30]。其計(jì)算公式：

式中，Qk(m3/s)為垂向第k層的水體輸運(yùn)通量；因模型采用不規(guī)則的四面體網(wǎng)格，故求參數(shù)時(shí)采用三維插值法得到某一平面的垂向流速，將平面分為m×n個(gè)水平網(wǎng)格，設(shè)分辨率為0.25 m；Si,j為網(wǎng)格面積；Ui,j為該網(wǎng)格的輸運(yùn)速度，計(jì)算向上輸運(yùn)通量時(shí)采用垂向(z 軸)分速度大于0。

數(shù)值模擬計(jì)算中，流場(chǎng)效應(yīng)相關(guān)指標(biāo)在計(jì)算一個(gè)周期(計(jì)算域長(zhǎng)度除以平均流速)后相對(duì)穩(wěn)定[30]。因此，當(dāng)來(lái)流速度為0.5 m/s 時(shí)，流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)采用400 s 后連續(xù)50 s(數(shù)據(jù)輸出間隔1 s)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；當(dāng)來(lái)流速度為0.9 m/s 時(shí)，流場(chǎng)效應(yīng)評(píng)價(jià)采用225 s 后連續(xù)50 s 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。流速對(duì)比時(shí)，水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬均采用20 s 數(shù)據(jù)的平均。

2 結(jié)果

2.1 水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的流速對(duì)比

以數(shù)值模擬時(shí)來(lái)流速度為0.9 m/s 為例，對(duì)A 型和B 型礁體進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的水槽實(shí)驗(yàn)，并將水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果與2 種尺寸數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示，水槽實(shí)驗(yàn)與2 種尺寸數(shù)值模擬流速變化趨勢(shì)基本一致。經(jīng)計(jì)算，A 型礁平面1 和平面2 的水槽流速與小尺寸數(shù)值模擬均方根誤差最大分別為0.039 和0.040，與大尺寸數(shù)值模擬相比均方根誤差最大分別為0.042 和0.063；B 型礁平面1 和平面2 的水槽流速與小尺寸數(shù)值模擬流速相比均方根誤差最大分別為0.041 和0.035，與大尺寸數(shù)值模擬相比均方根誤差最大分別為0.039 和0.028(圖7，圖8)。水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果與2 種尺寸的數(shù)值模擬結(jié)果的總體誤差相對(duì)較小，但個(gè)別點(diǎn)的流速相差較大，如流速線b 的流速點(diǎn)2、流速線a 和流速線c 上末尾3 個(gè)流速點(diǎn)等。流速線b 的流速點(diǎn)2 處于緊靠礁體后方區(qū)域，水槽實(shí)驗(yàn)時(shí)受相機(jī)拍攝精度影響，無(wú)法精確捕捉此處水流流速，導(dǎo)致與數(shù)值模擬流速相差較大。流速線a 和流速線c 處于魚礁兩側(cè)，礁體后方水流紊動(dòng)較大，且距離魚礁越遠(yuǎn)，水流向兩側(cè)擴(kuò)散和渦動(dòng)越強(qiáng)烈，流速瞬時(shí)變化較大，數(shù)值模擬和水槽實(shí)驗(yàn)流速差異較大。此外，實(shí)驗(yàn)水槽壁面和數(shù)值模擬標(biāo)準(zhǔn)壁面之間的差異、實(shí)驗(yàn)中粒子分布的均勻度、礁體模型的擺放精度和縮放比例等因素均會(huì)造成水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果之間的差異。驗(yàn)證結(jié)果表明，所采用CFD 模型的精度相對(duì)較高，可用于人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的相關(guān)研究。

圖7 2 種礁體的平面1(a)(c)和平面2(b)(d)水槽流速和小尺寸數(shù)值模擬流速對(duì)比(a) (b) A 型礁，(c) (d) B 型礁；a-EXP.流速線a 的實(shí)驗(yàn)流速，a-CFDx.流速線a 的小尺寸數(shù)值模擬流速；b-EXP.流速線b 的實(shí)驗(yàn)流速，b-CFDx.流速線b 的小尺寸數(shù)值模擬流速；c-EXP.流速線c 的實(shí)驗(yàn)流速，c-CFDx.流速線c 的小尺寸數(shù)值模擬流速；下同。Fig.7 Comparison of the velocity and the small-scale numerical simulation velocity at the plane 1 (a)(c) and plane 2 (b)(d) of the two reefs(a) (b) type A,(c) (d) type B;a-EXP.the experimental velocity of the velocity line a,a-CFDx.the velocity of the small-scale numerical simulation of the velocity line a;b-EXP.the experimental velocity of the velocity line b,b-CFDx.the velocity of the small-scale numerical simulation of the velocity line b;c-EXP.the experimental velocity of the velocity line c,c-CFDx.the velocity of the small-scale numerical simulation of the velocity line c.

圖8 2 種礁體的平面1(a) (c)和平面2(b) (d)水槽流速和大尺寸數(shù)值模擬流速對(duì)比CFD.大尺寸數(shù)值模擬流速。Fig.8 Comparison of the velocity and the large-scale numerical simulation velocity at the plane 1 (a) (c) and plane 2 (b) (d) of the two reefsCFD.the velocity of the large-scale numerical simulation.

2.2 0°迎流時(shí)側(cè)板結(jié)構(gòu)對(duì)于流場(chǎng)效應(yīng)的影響分析

水流遇到魚礁后，受魚礁阻擋作用，向礁體兩側(cè)和上方運(yùn)動(dòng)，礁體上方和兩側(cè)流速較大，在礁體上方形成明顯上升流區(qū)域(圖9)。4 種礁體在圖示時(shí)刻時(shí)，C 型礁上方高流速區(qū)域范圍最大，其次是D 型礁，A 型礁和B 型礁相對(duì)較小。水流流經(jīng)礁體后，在礁體后方形成漩渦并向下游不斷脫落，導(dǎo)致礁后流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，流速較小，形成明顯背渦流區(qū)域(圖9，圖10)。C 型礁和D型礁礁后的低流速區(qū)域明顯大于A 型礁和B 型礁。A 型礁近底層附近流速受側(cè)板影響，流速減弱明顯，而上層無(wú)側(cè)板，流速受到影響較?。籅 型礁?jìng)?cè)板位于上層，上層礁后流速降低明顯，而近底層無(wú)側(cè)板，只有礁體框架對(duì)水流產(chǎn)生影響，背渦流區(qū)不如A 型礁明顯(圖10)。因此，單從流速對(duì)沖刷的影響來(lái)看，A 型礁底部受到?jīng)_刷強(qiáng)度較B型礁小，更易造成背渦流區(qū)泥沙的淤積，同時(shí)更易造成礁體兩側(cè)的泥沙沖刷。

圖9 0°迎流角4 種礁體在中垂面的流場(chǎng)圖(以流速為0.5 m/s 為例)Fig.9 Flow field diagrams of four reefs on the vertical plane with the upstream angle of 0°(cases with velocity of 0.5 m/s as an example)

圖10 0°迎流角A 型礁和B 型礁在z=1 m (a) (b)和z=3 m (c) (d) 平面的流場(chǎng)圖(以流速為0.5 m/s 為例)(a) (c) A 型礁，(b) (d) B 型礁。Fig.10 Flow field diagrams of type A and B reefs at z=1 m (a) (b) and z=3 m (c) (d) plane with upstream angles of 0°(cases with velocity of 0.5 m/s as an example)(a) (c) type A,(b) (d) type B.

2 種來(lái)流速度情況下，A 型礁的上升流體積和背渦流體積均大于B 型礁(圖11)。A 型礁在流速為0.5 和0.9 m/s 時(shí)上升流體積較B 型礁分別高15.2%～20.0%和29.9%～35.6%，背渦流體積分別高20.3%～193.5%和17.4%～21.3%，說(shuō)明2 種單層側(cè)板型人工魚礁中，側(cè)板位于下層的A 型礁流場(chǎng)效應(yīng)優(yōu)于側(cè)板位于上層的B 型礁。來(lái)流受到A 型礁下層側(cè)板的阻擋后向上方和兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，而受到B 型礁上層側(cè)板的阻擋后不僅向上方和兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，還可以向下運(yùn)動(dòng)；水流繞過(guò)側(cè)板向下游流動(dòng)過(guò)程中，A 型礁后方水流受側(cè)板和海底摩擦的共同作用，對(duì)礁后流場(chǎng)影響較大，而上層側(cè)板的B 型礁?jìng)?cè)板距離海底較遠(yuǎn)，主要受側(cè)板作用影響，礁后流場(chǎng)影響相對(duì)較小。故A 型礁的上升流和背渦流體積均大于B 型礁體。

圖11 0°迎流4 種礁體的上升流體積(a)(b)和背渦流體積(c)(d)(a) (c)流速為0.5 m/s 的情況，(b) (d) 流速為0.9 m/s 的情況。Fig.11 Volume of upwelling (a)(b) and wake vortex (c)(d) of four reefs with the upstream angle of 0°(a) (c) the case when the velocity is 0.5 m/s,(b) (d) the case when the velocity is 0.9 m/s.

2 種來(lái)流速度下，A 型礁和B 型礁的向上輸運(yùn)速度、輸運(yùn)面積和輸運(yùn)通量從底層至頂層先增加而后減小，輸運(yùn)速度和通量在y=3 m 層達(dá)到相應(yīng)最大值(圖12)。2 種來(lái)流速度下，B 型礁的向上輸運(yùn)面積較A 型礁高約300～500 m2，但因向上輸運(yùn)流速偏小，故在流速為0.5 m/s 時(shí)，從底層至頂層，A 型礁和B 型礁之間的向上輸運(yùn)通量相差較?。涣魉贋?.9 m/s 時(shí)，A 型礁的向上輸運(yùn)通量略大于B 型。綜上，A 型礁的流場(chǎng)效應(yīng)優(yōu)于B 型礁。

圖12 0°迎流角下4 種礁體的向上輸運(yùn)速度(a)(d)、向上輸運(yùn)面積(b)(e)和向上輸運(yùn)通量(c)(f)(a) (b) (c) 流速為0.5 m/s，(d) (e) (f) 流速為0.9 m/s。Fig.12 Upward transport speed (a)(d),upward transport area (b)(e) and upward transport flux (c)(f) of the four reefs when the upstream angle is 0°(a) (b) (c) the velocity is 0.5 m/s,(d) (e) (f) the velocity is 0.9 m/s.

在A 型礁的基礎(chǔ)上，添加上層側(cè)板，形成雙層側(cè)板型人工魚礁(C 型和D 型)。2 種流速下，0°迎流時(shí)，C 型礁的上升流體積大于D 型礁，背渦流體積小于D 型礁(圖11)。C 型礁在流速為0.5和0.9 m/s 時(shí)上升流體積較A 型礁分別高88.4%～91.2%和109.8%～244.1%，D 型礁較A 型礁分別高16.9%～23.5%和55.7%～115.8%，表明增加側(cè)板數(shù)量對(duì)于提升礁體上升流效應(yīng)作用明顯。C 型礁上下層均為垂直側(cè)板，0°角迎流時(shí)，對(duì)水流阻擋強(qiáng)烈。而D 型礁正對(duì)迎流方向，上側(cè)板為傾斜側(cè)板，有利于將底層水流引導(dǎo)至上層，背流面傾斜側(cè)板方向向下，會(huì)在一定程度上減緩水體向上運(yùn)動(dòng)。故0°角迎流時(shí)，C 型礁的上升流體積大于D 型礁。

流速為0.5 m/s，速度比為v40 和v80 時(shí)，C型礁的背渦流體積較A 型礁分別高9.8%和14.2%，而速度比為v60 時(shí)，較A 型少4.1%；流速為0.9 m/s，速度比為v40 和v60 時(shí)，C 型礁的背渦流體積較A 型礁分別高80.1%和34.8%，速度比為v80 時(shí)，略有減小。D 型礁在流速為0.5 和0.9 m/s 時(shí)的背渦流體積較A 型礁分別高15.1%～38.0%和28.3%～88.8%。上述結(jié)果表明，增加側(cè)板數(shù)量也能提升礁體的背渦流效應(yīng)，但提升作用不如上升流效應(yīng)明顯。相對(duì)于C 型礁，D 型礁的傾斜側(cè)板增加了礁體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，對(duì)于降低高來(lái)流速度下礁后水流流速作用明顯，故D 型礁在0.9 m/s 來(lái)流速度下的背渦流體積明顯大于C 型礁。

2 種流速下，C 型和D 型礁的向上輸運(yùn)速度、輸運(yùn)面積和輸運(yùn)通量的變化趨勢(shì)和2 種單層側(cè)板型基本一致(圖12)。流速為0.5 m/s 時(shí)，C 型礁的向上輸運(yùn)通量最大，其余3 種礁體相差不大，C型礁的最大向上輸運(yùn)通量是D 型礁的1.24 倍；流速為0.9 m/s 時(shí)，C 型和D 型均大于2 種單層側(cè)板型礁，且C 型>D 型，C 型礁最大向上輸運(yùn)通量是D 型礁的1.29 倍。2 種來(lái)流速度下，C 型礁的向上輸運(yùn)速度最大，故向上輸運(yùn)通量明顯大于D型礁。

綜上，C 型礁的上升流效應(yīng)、向上輸運(yùn)通量?jī)?yōu)于D 型礁，D 型礁的背渦流效應(yīng)略優(yōu)于C 型礁。

2.3 雙層側(cè)板型人工魚礁在不同迎流角度下的流場(chǎng)效應(yīng)

通過(guò)以上分析可知，2 種來(lái)流速度下，C 型礁和D 型礁的流場(chǎng)效應(yīng)相對(duì)A 型礁和B 型礁較優(yōu)。下文以流速0.5 m/s 為例，對(duì)4 種迎流角下(0°、15°、30°和45°)C 型礁和D 型礁的流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，4 種迎流角下，C 型礁的上升流體積從大到小依次是0°>15°>45°>30°，背渦流體積從大到小依次是45°>0°>15°>30°。4 種迎流角下，D 型礁在速度比為w10時(shí)，上升流體積從大到小依次是45°>30°>0°>15°，速度比為w15 和w20 時(shí)，相差不大；當(dāng)速度比為v40 時(shí)，背渦流體積變化較小，速度比為v60 和v80 時(shí)，從大到小依次是0°>45°>30°>15°(圖13)。綜上，4 種迎流角下，C 型礁在0°迎流時(shí)上升流效應(yīng)最佳，45°迎流時(shí)背渦流效應(yīng)最佳；D 型礁在45°迎流時(shí)上升流效應(yīng)最佳，0°迎流時(shí)背渦流效應(yīng)最佳。

圖13 4 種迎流角C 型礁和D 型礁的上升流體積(a)(b)和背渦流體積(c)(d)(a) (c) C 型礁，(b) (d) D 型礁。Fig.13 Volume of upwelling (a)(b) and wake vortex (c)(d) of type C and D at four upstream angles(a) (c) type C,(b) (d) type D.

利用單因素方差分析法對(duì)4 種迎流角下上升流體積和背渦流體積差異性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，C 型礁在速度比為w15 時(shí)，30°和45°迎流時(shí)的上升流體積差異不顯著(P>0.05)。D 型礁在速度比為w15 時(shí)，0°和45°、15°和30°迎流時(shí)上升流體積差異不顯著(P>0.05)；速度比為w20 時(shí)，0°和30°迎流時(shí)的上升流體積差異不顯著(P>0.05)。C 型礁和D 型礁其余角度之間的上升流體積差異顯著(P<0.05)。4 種角度下，C 型礁和D 型礁的背渦流體積差異均顯著(P<0.05)(表2)。

表2 4 種迎流角度下C 型礁和D 型礁上升流體積和背渦流體積的差異性比較Tab.2 Comparison of the difference between the volumes of upwelling and the wake vortex of type C and D at four upstream angles

4 種迎流角下，C 型礁和D 型礁的向上輸運(yùn)通量變化趨勢(shì)基本一致，從底層至頂層先增加后減小，且在4 種迎流角下C 型礁的向上輸運(yùn)通量大于D 型礁(圖14)。4 種迎流角下，C 型礁在0°和45°迎流時(shí)向上輸運(yùn)速度較大，其余角度下較小；D 型礁在45°迎流時(shí)向上輸運(yùn)速度最大，其次是15°和30°，最小是0°。4 種迎流角度下，C 型礁在45°迎流時(shí)向上輸運(yùn)通量最大，而D 型礁在4種角度下差異較小。

圖14 4 種迎流角下C 型礁和D 型礁的向上輸運(yùn)速度(a)(d)、向上輸運(yùn)面積(b)(e)和向上輸運(yùn)通量(c)(f)(a)(b)(c) C 型礁的結(jié)果，(d)(e)(f) D 型礁的結(jié)果。Fig.14 Upward transport velocity (a)(d),upward transport area (b)(e) and upward transport flux (c)(f) of type C and D at four upstream angles(a)(b)(c) the result of type C,(d)(e)(f) the result of type D.

3 討論

3.1 側(cè)板對(duì)于八棱柱型人工 魚礁流場(chǎng)效 應(yīng)的影響

0°迎流時(shí)，側(cè)板數(shù)量增加即是迎流面投影面積的直接增加。上升流和背渦流3 種取值條件下，4 種礁體的迎流面投影面積和上升流體積之間相關(guān)性系數(shù)分別為0.88、0.86 和0.72，相關(guān)性較好，即隨著迎流面積增加，上升流體積隨之增加(圖15)。迎流面投影面積與背渦流體積之間相關(guān)性較差，僅在背渦流取值條件為v40 時(shí)顯著相關(guān)(圖15)。于定勇等[10]對(duì)不同開口比的方型人工魚礁進(jìn)行了研究，表明當(dāng)開口比大于0.2 時(shí)，上升流范圍隨著開口比增加逐漸減?。籛ang 等[11]認(rèn)為開口比應(yīng)該控制在合理的范圍內(nèi)(如0.2 和0.3)，過(guò)大或者過(guò)小均會(huì)對(duì)人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)起到抑制作用。由上面分析可知，C 型礁在迎流面投影面積比Aus/Asp為0.76 時(shí)，上升流效應(yīng)最好，換算成開口比，則約為0.3 左右，即本研究結(jié)果與上述研究類似。

圖15 0°迎流角4 種礁體迎流面投影面積和上升流體積(a)(b)(c)、背渦流體積(d)(e)(f)之間的關(guān)系Fig.15 The relationship between the projected area of upstream surface and the volume of upwelling (a)(b)(c),the projected area of upstream surface and the volume of wake vortex (d)(e)(f) of the four reefs at the upstream angle of 0°

側(cè)板位置不同，也會(huì)對(duì)人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)以及底部沖刷等產(chǎn)生不同的影響。Jiang 等[12-13]為進(jìn)一步提升立方體框架礁的上升流效應(yīng)，設(shè)計(jì)了導(dǎo)流礁和上升流礁，2 種礁體分別在立方體框架礁的框架上和內(nèi)部分別添加傾斜或垂直導(dǎo)流板，研究表明，相對(duì)于立方體框架礁，這2 種礁體的上升流效應(yīng)有明顯提升。本實(shí)驗(yàn)中C 型礁在A 型礁的基礎(chǔ)上添加了上層垂直側(cè)板，D 型礁相比于A型礁添加了上層傾斜側(cè)板，C 型礁和D 型礁的上升流體積較A 型礁最大分別提升了244.1%和115.8%。本研究結(jié)果和姜昭陽(yáng)等[12-13]研究結(jié)果相似，但本研究未對(duì)上層傾斜側(cè)板不同傾斜角進(jìn)行探討。

3.2 八棱柱型人工魚礁對(duì)迎流角度的適應(yīng)性

4 種迎流角(0°、15°、30°、45°)下，C 型礁和D 型礁的上升流體積和背渦流體積差異顯著，C 型和D 型礁在0°和45°迎流時(shí)流場(chǎng)效應(yīng)相對(duì)較好(圖13)。八棱柱型人工魚礁為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱造型，可分為4 部分旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，潮流方向周期性發(fā)生變化，目前投礁技術(shù)和精度導(dǎo)致礁體每個(gè)面均有迎流的可能性，在礁體每個(gè)1/4 對(duì)稱結(jié)構(gòu)內(nèi)，礁體有2 次0°和一次45°迎流的可能。4 種迎流角，3 種上升流取值條件下，C 型礁的上升流體積最大值和最小值之間分別相差(110.52±8.52)、(43.31±4.0)、(17.36±2.3) m3，D 型礁分別相差(17.23±8.5)、(5.17±6.5)、(4.95±3.2) m3；C 型礁和D 型礁的上升流體積最大值分別是最小值的1.41 和1.13 倍；3 種背渦流取值條件下，C型礁的背渦流體積最大值與最小值之間分別相差(312.56±12.10)、(152.50±6.2)、(104.112±5.2) m3，D 型分別相差(136.81±7.91)、(69.82±3.1)、(28.94±8.6) m3；C 型礁和D 型礁的背渦流體積最大值分別是最小值的1.40 倍和1.15 倍。由此可知，0°至45°迎流的轉(zhuǎn)換中，C 型礁的上升流體積最大下降27.1%，D 型礁最大下降6.3%；C 型礁的背渦流體積最大下降27%，D 型礁最大下降11.8%。表明在某些角度(如15°和30°)下流場(chǎng)效應(yīng)有所減弱，但相對(duì)下降較小，可認(rèn)為八棱柱型人工魚礁能較好適應(yīng)復(fù)雜的海流環(huán)境，如旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流。同時(shí)，相對(duì)于C 型礁，D 型礁在4 種角度下的流場(chǎng)效應(yīng)差異更小，對(duì)于迎流角度的適應(yīng)性更強(qiáng)。

3.3 對(duì)于礁體設(shè)計(jì)以及迎流面投影面積相關(guān)研究的啟示

不同于礁體0°垂直迎流，不同迎流角下C 型和D 型礁的上升流體積、背渦流體積和迎流面投影面積之間相關(guān)性不明顯(圖16)。以C 型礁體為例，4 種角度下迎流面投影面積從大到小依次為15°>45°>30°>0°；0°迎流時(shí)，其中2 塊側(cè)板迎流面與水流之間的夾角為90°，雖迎流面投影面積較小(表1)，但側(cè)板對(duì)水流阻擋作用強(qiáng)烈；而非直角(15°、30°和45°)迎流時(shí)，雖礁體整體迎流面投影面積較大(表1)，但側(cè)板與水流傾斜相交，側(cè)板對(duì)水流的導(dǎo)流作用強(qiáng)烈，阻流作用相對(duì)較弱。表明礁體與水流傾斜相交時(shí)側(cè)板對(duì)水流的阻擋作用和礁體與水流垂向相交時(shí)差異較大。

圖16 4 種迎流角下C 型礁和D 型礁迎流面投影面積和上升流體積、背渦流體積之間的關(guān)系Fig.16 The relationship between the projected area of upstream surface and the volume of upwelling as well as that between the projected area of upstream surface and the volume of wake vortex of type C and D at four upstream angles

與CFD 模型不同的是，大尺度海洋數(shù)值模型可以考慮實(shí)際潮流、海洋風(fēng)生環(huán)流、溫鹽斜壓效應(yīng)等完整環(huán)境驅(qū)動(dòng)力，并可開展海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)研究。在大尺度海洋數(shù)值模型中，可利用阻滯力F來(lái)表示水中構(gòu)造物對(duì)水流的阻滯作用，是模擬潮流發(fā)電裝置、人工魚礁等海底構(gòu)造物流場(chǎng)效應(yīng)[34-35]的有效方法。其中，構(gòu)造物的迎流面投影面積以及阻力系數(shù)是大尺度海洋模式中人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)模擬的關(guān)鍵參數(shù)。前人的研究多在計(jì)算阻滯力時(shí)假定迎流面投影面積不發(fā)生變化，阻力系數(shù)隨來(lái)流速度變化而變化[34]，而在海洋中，隨著潮流方向的變化，迎流面投影面積會(huì)隨之發(fā)生變化。于定勇等[10]研究表明，人工魚礁的阻力系數(shù)和開口比之間呈線性相關(guān)，開口比的增加，迎流面面積減小，阻力系數(shù)增加。本研究表明，同一礁體在不同迎流角下，迎流面投影面積和流場(chǎng)效應(yīng)相關(guān)指標(biāo)之間相關(guān)性較小。因此，今后在大尺度海洋數(shù)值模型計(jì)算魚礁阻滯力時(shí)，不同迎流角度下、各類異型魚礁體需要分別率定不同迎流角度下的迎流面投影面積和阻力系數(shù)，不能只考慮來(lái)流速度的影響，還需考慮到魚礁迎流面與流向之間的夾角。

本研究只討論了不同側(cè)板位置的人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)，未能深入分析礁體所受的力以及底部水流沖刷對(duì)泥沙淤積等影響，同時(shí)數(shù)值模擬中未考慮魚礁體和海床底邊界的邊界層效應(yīng)，后續(xù)研究工作中將繼續(xù)對(duì)這些方面進(jìn)行改進(jìn)，尤其是對(duì)不同迎流角度下的礁體阻力系數(shù)等進(jìn)行測(cè)定，以期為應(yīng)用大尺度海洋數(shù)值模型研究大規(guī)模人工魚礁區(qū)的水動(dòng)力及生態(tài)效應(yīng)提供依據(jù)。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）