一種刺參增殖礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流場效應(yīng)研究

王宏 房恩軍 張雪 張晶偉 高燕 曾祥茜

摘要 人工魚礁是一種設(shè)置在水中的人工構(gòu)筑物，通過人工魚礁的建設(shè)，能夠?yàn)轸~類等水生生物營造良好的生態(tài)環(huán)境，從而達(dá)到保護(hù)和增殖漁業(yè)資源的目的。根據(jù)刺參自身特點(diǎn)和生長習(xí)性，設(shè)計(jì)一種刺參增殖礁作為人工附著基，通過對刺參增殖礁的水動力學(xué)試驗(yàn)，分析刺參增殖礁單體結(jié)構(gòu)對礁體周圍流場效應(yīng)的影響，得出在相同入流速度的情況下刺參增殖礁的受力情況；根據(jù)模擬結(jié)果，計(jì)算出刺參增殖礁上升流體積和背渦流體積，同時(shí)對刺參增殖魚礁單體穩(wěn)定性進(jìn)行探討。結(jié)果表明：刺參增殖魚礁，由于孔徑小、間隙密，上升流區(qū)和背渦流區(qū)的體積均較大。當(dāng)入流流速為0.5 m/s時(shí)，刺參增殖魚礁抗滑移系數(shù)和抗傾覆系數(shù)均大于1，表明其具有良好的安全性能。運(yùn)用水動力模型模擬魚礁區(qū)的流場效應(yīng)，優(yōu)化魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)魚礁的生物誘集和增殖效應(yīng)最大化，可以為魚礁區(qū)的建設(shè)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 刺參；人工魚礁；流場效應(yīng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號 S95? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2024）06-0196-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.043

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on Structure Design and Flow Field Effect of Sea Cucumber Breeding Reef

WANG Hong1，2， FANG En-jun1，2， ZHANG Xue1，2 et al

（1. Tianjin Fisheries Research Institute/ Bohai Sea Fisheries Research Center， Chinese Academy of Fishery Sciences， Tianjin 300457;2. Tianjin Marine Ranching Technical Engineering Center， Tianjin 300457）

Abstract Artificial reef is a kind of artificial structure set in the water. Through the construction of artificial reef， it can create a good ecological environment for fish and other aquatic organisms， so as to achieve the purpose of protecting and breeding fishery resources. In this study， according to the characteristics and growth habits of sea cucumber， a sea cucumber breeding reef was designed as an artificial adhesion base. Based on the hydrodynamic test of sea cucumber breeding reef， the influence of the single structure of sea cucumber breeding reef on the flow field effect around the reef was analyzed， and the stress of sea cucumber breeding reef under the condition of the same inflow velocity was obtained. According to the simulation results， the up welling volume and back eddy volume of sea cucumber breeding reef were calculated. At the same time， the monomer stability of sea cucumber breeding reef was discussed. The results showed that due to the small aperture and dense gap， the up welling and back eddy volume of sea cucumber breeding reef were both larger. When the inflow velocity was 0.5 m/s， the anti-slip coefficient and anti-overturning coefficient of sea cucumber breeding reef were both greater than 1， indicating that the sea cucumber breeding reef has good safety performance. Hydrodynamic model was used to simulate the flow field effect in artificial reef area and optimize the structure design of artificialreef to maximize the biological attraction and proliferation effect of the artificial reef， which can provide theoretical guidance and technical support for the construction of artificial reef area.

Key words Sea cucumber;Artificial fish reef;Flow field effect;Structural design

人工魚礁是一種設(shè)置在水中的人工構(gòu)筑物［1-3］，通過人工魚礁的建設(shè)，能夠?yàn)轸~類等水生生物營造良好的生態(tài)環(huán)境，從而達(dá)到保護(hù)和增殖漁業(yè)資源的目的［4-6］。在特定海域建造人工魚礁，對于保護(hù)、修復(fù)、增殖漁業(yè)資源具有重要意義［7-9］。

建設(shè)人工魚礁后，周圍水體環(huán)境在一定范圍內(nèi)會發(fā)生改變［10-11］，對水體擾動、上升、擴(kuò)散、交換等物理過程的影響如下：一是直接影響礁體周圍的流場效應(yīng)［12-13］；二是影響礁體的物理穩(wěn)定性［14-17］；三是影響礁體周圍營養(yǎng)鹽和初級生產(chǎn)力水平［18-19］。

刺參喜歡生活在水流緩慢穩(wěn)定、潮流暢通、水質(zhì)清澈、沒有大量淡水注入、海藻豐富的巖底或沙質(zhì)區(qū)域，它們喜歡在光線較弱的陰影區(qū)域活動，具有晝伏夜出的特殊行為特性。因此，在刺參的增養(yǎng)殖過程中，經(jīng)常采用添加人工附著基質(zhì)的方法來減少敵害生物對刺參及其幼體的侵?jǐn)_，提供夏眠、冬眠以及生長的棲息場所。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對不同形狀礁體對刺參的誘集效果進(jìn)行了相關(guān)研究，秦傳新等［20］探討了不同類型附著基對刺參存活率的影響；張輝等［21］探討了附著基的顏色對刺參行為的影響；張碩等［22］探討了不同光照條件下，立方體和塔型礁體對刺參的誘集效果；崔勇等［23］探討了長方體、圓柱體、星型礁體對刺參的誘集效果。

目前，相關(guān)研究多是從刺參行為學(xué)角度探討礁體單體結(jié)構(gòu)構(gòu)型對刺參誘集效果的影響，缺少從數(shù)值模型的角度探討礁體單體結(jié)構(gòu)構(gòu)型對刺參增殖效果的影響。鑒于此，筆者根據(jù)刺參特殊的生活習(xí)性，設(shè)計(jì)一種刺參增殖礁，并運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析了刺參增殖礁單體結(jié)構(gòu)構(gòu)型對礁體周圍流場效應(yīng)的影響，以期為不同功能性礁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的研究思路。

1 數(shù)值試驗(yàn)與模型建立

1.1 刺參增殖礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)刺參特殊的生活習(xí)性，刺參增殖礁采用3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。魚礁底座作為與長方框架結(jié)構(gòu)體一體制出的基座而共同構(gòu)成一立方結(jié)構(gòu)體，四面?zhèn)缺谏现朴猩稀⒅?、?層側(cè)壁通孔，每面?zhèn)缺诿繉泳写?、?個(gè)側(cè)壁通孔，側(cè)壁通孔彼此貫通。在四面?zhèn)缺谏纤频膫?cè)壁通孔均為長方形結(jié)構(gòu)，且上、中、下3層側(cè)壁通孔為水平平行設(shè)置。底座為：1 200 mm×1 200 mm×150 mm；長方框架為：1 200 mm×1 200 mm×1 050 mm；側(cè)壁大長方形導(dǎo)流通孔為：400 mm×250 mm；側(cè)壁小長方形導(dǎo)流通孔為：200 mm×250 mm。

1.2 計(jì)算區(qū)域設(shè)置

邊界條件包括入口邊界、出口邊界、內(nèi)部邊界、壁面邊界、水槽兩側(cè)面邊界和水槽上面邊界。其中，入口邊界采用入口邊界條件，出口邊界采用出口邊界條件，內(nèi)部邊界和壁面邊界采用壁面邊界條件，上邊界和側(cè)邊界采用對稱邊界條件［24］。刺參增殖礁采用四面體單元非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，其中魚礁周圍的網(wǎng)格尺寸較小，遠(yuǎn)離魚礁區(qū)域網(wǎng)格尺寸逐漸變大。在計(jì)算刺參增殖礁的流場時(shí)，計(jì)算區(qū)域如圖2所示：x方向尺寸為30.0 m，y方向尺寸為10.0 m，z方向尺寸為7.5 m，刺參增殖礁尺寸為x方向的1/4處［25］。

1.3 控制方程設(shè)置

計(jì)算區(qū)域引入邊界條件，流場環(huán)境模擬采用k-ε湍流模型，物質(zhì)濃度擴(kuò)散采用物質(zhì)輸運(yùn)模型，不考慮內(nèi)能，控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程［26-27］：

連續(xù)性方程為：

uixi=0（1）

動量方程為：

ujuixj=fi-1ρpxi+xj（v+vi）uixj+ujxi（2）

式中：ui（i=1，2，3）分別為x，y，z方向的雷諾平均速度；uj為平均速度；fi為重力；ρ為流體的密度；p為壓強(qiáng)；v為流體的運(yùn)動學(xué)粘性系數(shù)，vi=CμK2ε；湍流能量和耗散率的k-ε方程為［28］：

xikui=xjv+viσkkxj+Gkρ-ε

xiεui=xjv+viσεεxj+1ρC1εεkGk-C2εε2k

（3）

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cu=0.09；k為湍動能量；ε為耗散率；湍動能量k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0和σε=1.3；湍動能產(chǎn)生項(xiàng)Gk=-ρu′iu′jujxi。

2 結(jié)果與分析

2.1 單個(gè)魚礁的流場效應(yīng)

分析流場效應(yīng)時(shí)，在計(jì)算上升流區(qū)域的體積時(shí)，取該區(qū)域的垂向流速大于入流速度的5%，在計(jì)算背渦流區(qū)域的體積時(shí)，取該區(qū)域流速小于入流速度的80%為判據(jù)［24］。入口海流速度依據(jù)渤海灣潮流場的數(shù)值模擬結(jié)果，取0.5 m/s。如刺參增殖礁礁體附近流場速度的等值線圖（圖3）所示，刺參增殖礁上升流區(qū)域形成于礁體迎流面，渦流區(qū)域形成于礁體內(nèi)部和背流面，刺參增殖礁由于迎流面兩列窗口的大小不一致，水流在礁體兩側(cè)的流場形態(tài)存在一定差異，其迎流面開孔率較小，其上升流和背渦流強(qiáng)度較大，在其礁體內(nèi)部也出現(xiàn)了渦流形態(tài)。

2.2 上升流和背渦流影響范圍計(jì)算

刺參增殖礁上升流區(qū)域?yàn)榇瓜蛄魉俅笥谌肓髁魉?%的區(qū)域，背渦流區(qū)域?yàn)橛髅媪魉傩∮谌肓髁魉?0%的區(qū)域［24］。對刺參增殖礁數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算得出刺參增殖礁上升流區(qū)域和背渦流區(qū)域的體積分別為73.64、77.83 m3。

2.3 刺參增殖礁穩(wěn)定性分析

對刺參增殖礁進(jìn)行數(shù)值模擬，刺參增殖礁周圍的壓強(qiáng)分布如圖4所示。計(jì)算得出在相同入流速度的情況下刺參增殖礁的受力情況，刺參增殖魚礁受到的水平?jīng)_擊力（Fh）為483.58 N。

魚礁抗滑移能力可以用抗滑移系數(shù)（S1）來描述，即當(dāng)礁體模型最大靜摩擦力大于波流作用力的情況下，礁體不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象［20］，即必須滿足下列公式：

S1=（Wg-F0）μFmax>1（4）

式中：μ為水泥礁與底部的摩擦系數(shù)，計(jì)算中取值為0.55；W為魚礁自重；F0為浮力。

魚礁抗傾覆能力可以用抗傾覆系數(shù)（S2）來描述，抗傾覆系數(shù)可以用下列公式計(jì)算：

S2=M1M2=（Wg-F0）L1FmaxLmax>1（5）

式中：M1為重力和浮力對傾覆支邊的合力矩；M2為潮流作用下礁體最大作用力對傾覆支邊的力矩［28］；L1為水平方向力臂；Lmax為礁高［24］。

在潮流作用下不發(fā)生傾覆的條件為重力和浮力的合力矩M1大于潮流作用下礁體最大作用力矩M2，即S2>1。計(jì)算得出刺參增殖魚礁的抗滑移系數(shù)S1和抗傾覆系數(shù)S2分別為34.38、19.21。刺參增殖魚礁礁體的抗滑移系數(shù)和抗傾覆系數(shù)均大于1，表明安全性能表現(xiàn)良好。

3 結(jié)論與討論

刺參喜歡生活在水流緩慢穩(wěn)定、水流通暢的隱蔽區(qū)域，增加刺參增殖魚礁整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和通透性，可以減少敵害生物對刺參及其幼體的侵?jǐn)_；縮小刺參增殖魚礁礁體孔徑及間隙，能夠?yàn)榇虆⑻峁┯欣陔[蔽的陰影區(qū)域，并且能夠?yàn)榈讞孱愄峁掗煹纳L區(qū)域；刺參增殖魚礁礁體產(chǎn)生的上升流和背渦流能夠促進(jìn)礁體周圍水體和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，能夠?yàn)榇虆⑻峁┏渥愕酿D料。

該研究根據(jù)刺參自身特點(diǎn)和生長習(xí)性，設(shè)計(jì)一種刺參增殖礁作為人工附著基，通過對刺參增殖礁的水動力學(xué)試驗(yàn)，分析了刺參增殖礁單體結(jié)構(gòu)對礁體周圍流場效應(yīng)的影響，運(yùn)用Fluent軟件，通過物理建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計(jì)算對刺參增殖魚礁進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用Tecplot軟件對模擬結(jié)果進(jìn)行處理分析，對相同水流條件下刺參增殖魚礁單體所造成的上升流和背渦流的體積進(jìn)行探討。結(jié)果表明：刺參增殖礁上升流區(qū)域形成于礁體迎流面，渦流區(qū)域形成于礁體內(nèi)部和背流面，刺參增殖礁由于迎流面兩列窗口的大小不一致，水流在礁體兩側(cè)的流場形態(tài)存在一定差異，其迎流面開孔率較小，其上升流和背渦流強(qiáng)度較大，在其礁體內(nèi)部也出現(xiàn)了渦流形態(tài)。通過計(jì)算得出，刺參增殖魚礁上升流區(qū)和背渦流區(qū)的體積分別為73.64、77.83 m3。劉長根等［25］利用數(shù)值方法對大窗型、大小窗型、卍（萬）字型、雙層貝類魚礁進(jìn)行了流場分析，其中卍（萬）字型魚礁底座尺寸為2.05 m，體積較大，對流場的擾動最大，因此其背渦流體積最大。刺參增殖魚礁由于迎流面兩列窗口的大小不一致，水流在礁體兩側(cè)的流場形態(tài)存在一定差異，其迎流面開孔率較大窗型魚礁和大小窗型魚礁都小，由于其孔徑小、間隙密，其上升流體積最大。進(jìn)一步分析礁體本身的設(shè)計(jì)對礁體周圍流場產(chǎn)生的影響有所不同，無論是上升流還是背渦流都與礁體的形狀、大小、迎流面開口大小有關(guān)。該研究對刺參增殖魚礁單體穩(wěn)定性進(jìn)行探討，結(jié)果表明：當(dāng)入流流速為0.5 m/s時(shí)，刺參增殖魚礁抗滑移系數(shù)和抗傾覆系數(shù)均大于1，表明其具有良好的安全性能。

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