正方体人工鱼礁流场效应试验研究

刘 彦，赵云鹏，崔 勇，董国海

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024;2.中国水产科学研究院黄海水产研究所青岛市海水鱼类种子工程与生物技术重点实验室，山东青岛 266071;3.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海 200092)

正方体人工鱼礁流场效应试验研究

刘 彦1，赵云鹏1，崔 勇2，3，董国海1

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024;2.中国水产科学研究院黄海水产研究所青岛市海水鱼类种子工程与生物技术重点实验室，山东青岛 266071;3.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海 200092)

采用无干扰的粒子图像测速技术(PIV)，针对中空型正方体人工鱼礁，选取3个不同的来流速度6.7 cm/s、11.0 cm/s和18.0 cm/s，研究了该模型单体(90°和45°)和组合(平行和垂直)工况时的流场效应。结果显示，单体90°迎流时上升流的规模和强度大于45°迎流，但产生的缓流区和背涡流的规模远小于45°工况。横向组合中单个鱼礁模型产生的流场效应较强于单体工况。纵向组合中，第一个迎流鱼礁在不同间距时内部流速分布和单体时较为相似，间距为1.0L时流速大小与单体最为接近。第二个迎流鱼礁内部基本上未出现回流区域，水平流速较单体时明显减小，但随着间距的增加流速值不断增大。

人工鱼礁;粒子图像测速(PIV);流场效应;正方体

人工鱼礁多布置在浅水海域能够起到减小海岸侵蚀和增加鱼类品种及产量的作用。但是，人工鱼礁在投放布置过程中出现了一些问题，比如说鱼礁的稳定性，材料的持久性，影响性能的设计因素等［1］。鉴于上述问题人工鱼礁水动力学性能的研究在人工鱼礁事业的发展过程中显得颇为重要。流场效应是人工鱼礁水动力学性能的一个重要方面，主要是指当鱼礁投放到某海域后在其前部可以生成与水平流具有相当量的局部上升流。上升流将底层的沉积物和营养盐带到水面附近，提高海域的基础饵料水平，起到了聚集鱼类的作用。另一方面，礁体下游形成了一个充满漩涡的流速缓慢的背涡流区域，为鱼类提供庇护、繁殖和栖息地［2］。人工鱼礁增殖渔业资源的生态效应主要是通过人工鱼礁的流场效应来实现的［3］。目前国内外对人工鱼礁的研究手段主要以现场调查分析鱼礁的聚鱼、避敌、产卵等效果和其周围的生态效应为主。这些方法多属于定性研究［4-10］。定量研究方面，张硕等［11-12］在水槽中对不同高度混凝土长方体模型礁的流场进行了定量研究，得到了上升流和背涡流的规模和强度。刘洪生等［13］通过风洞试验对单体及组合人工鱼礁上升流和背涡流的规模和强度进行了探讨。Liu［14］等通过实验室水槽实验测试了混凝土人工鱼礁在不同来流速度下所产生的上升流面积和上升流速度。

以上，人工鱼礁流场的研究方法均是在鱼礁周围布置测点，然后通过流速仪单点测量布置点的流速，最后再综合分析上升流和背涡流的规模和强度。接触式测试难免会对流场产生干扰并且测点有限未能全面反映鱼礁周围真实流场。本试验采用PIV无干扰二维流场测试技术对单体及双体组合正方体鱼礁周围流场进行整体测试，得到了较为准确的流速分布状况，以期为人工鱼礁水动力特性的进一步研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验鱼礁模型

正方体人工鱼礁模型是由五个带有正方形缺口的正方形面组成的无底鱼礁模型，材质为透明有机玻璃，以实现全场照明［15］。按照重力相似准则选取模型比尺1∶20，模型的正方形面边长L=0.075 m，缺口在面中心位置边长为0.045 m，厚度为0.015 m(图1)。试验水流沿x轴正向入射，包括单体和双体组合两种工况。如图1所示，单体鱼礁分为90°和45°两种迎流方式;图2双体鱼礁组合中每个模型都按照90°迎流方式摆放，横向摆放间距为 0.5L，纵向摆放间距分别为 0.5L、1.0L、1.5L 和 2.0L。

图1 正方体人工鱼礁模型及单体摆放形式Fig.1 Configuration and layout of the hollow cube artificial reef model

图2 横向和纵向双体组合正方体人工鱼礁摆放形式Fig.2 Arrangements of two parallel and vertical hollow cube artificial reefs

1.2 PIV原理与试验设备布置

PIV的测量原理:将与流体密度相当并且具有良好跟随性和反光性的示踪粒子投入到所研究的流体空间，使用CCD高速摄像机捕捉粒子跟随流体运动的图像，对该图像进行分析即可得相应流场的流速分布。流场试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的PIV水槽进行。图3所示水槽尺寸为24.00 m×0.45 m×0.60 m(长×宽×高)，一端配有造流系统通过调节造流装置的电机频率(f)来改变流速，采用ADV流速计对流速进行标定［17］。鱼礁放置在水槽的中间测试区域，光源从水槽底部打向模型的中轴面。根据实际海域的特征流速0.3 m/s、0.5 m/s和0.8 m/s，并考虑满足试验梯度的要求将试验流速选定为U1=6.7 cm/s，U2=11.0 cm/s和U3=18.0 cm/s，试验水深H=0.4 m。试验采用标准PIV测试系统，主要包括光源、高速CCD相机、EPIX(R)图像采集卡等，示踪粒子采用聚氯乙烯(PVC)粉末［18］。

2 PIV试验结果分析与讨论

在试验前对PIV和ADV的测速差异进行了校对。试验结果表明不同来流速度下流场测量误差基本一致［19］。因此这里将来流速度定为11.0 cm/s，并分别进行了5次 PIV流场测速试验，得到平均流速为10.7 cm/s。PIV和ADV所得流速的平均相对误差率为2.7%。通过互相关分析理论对运动图像进行编程处理，并借助Tecplot软件绘制出鱼礁中轴面上流场的二维流速矢量图。为便于对不同工况时人工鱼礁的流场进行定量分析特做出以下定义。将流速沿竖直方向分量大于或等于0.1倍来流速度的区域定义为上升流区域［20］。Vmax代表最大上升流速度;Va为上升流的平均流速既上升流区域内流速之和与测点数的比值;Hup表示上升流区域的最大高度;Sup为上升流域的面积。背涡流区域指鱼礁背部所产生的漩涡结构，漩涡高度用He表示，长度按回流区长度计算用Le表示，面积Se为漩涡高度和长度的乘积。鱼礁的迎流高度为L=7.5 cm，迎流面积为 S(90°时，S90=36 cm2;45°时，S45=51 cm2)。

图3 PIV试验布置示意Fig.3 Schematic of the PIV experimental setup

2.1 单体正方体人工鱼礁

图4所示U2=11.0 cm/s时，90°和45°摆放形式下单体正方体鱼礁中轴面的速度矢量场。鱼礁90°摆放时，水流遇到礁体上部边壁后向上运动形成上升流;中部水流速度有所减缓;底部边界层流动在某个部位开始发生分离，导致鱼礁上游底部的拐角处产生回流区。在礁体内中空部份水流速度较高接近于来流，而被边壁遮挡的部分水流速度则较小，并且在底部出现回流。这与Su等［21］通过PIV实验得出在方形鱼礁内部中心的流场速度较小，左右两侧区域的流速较大的结论相似。引起这种现象的原因是水体在进入礁体后被边壁阻挡，但是可以自由进入开口区域，由于过流面积突然缩小，水流速度增加，被边壁遮挡的礁体内部水流速度则有所减小。水流穿过礁体后，流速保持一段距离后开始衰减，在下游底部形成了一个狭窄的回流区，该区域的高度和长度较短，流速非常小。

图4 90°和45°时方形鱼礁中轴面上速度矢量场(U2=11.0 cm/s)Fig.4 Flow field velocity vector diagram of a hollow cube artificial reef with 90°and 45°angles(U2=11.0 cm/s)

45°摆放形式下，由于礁前边壁的阻挡和分流作用使得鱼礁前部的水流速度减缓，整个礁体内部的流速也非常小，形成了较90°时更大的缓流区域。当水流经过礁体上部后，依附在礁体上的边界层分离形成较强的压力梯度，随着向下游发展逆向压力梯度逐渐变大在礁体后部出现了回流，并形成了较为明显的漩涡结构。背涡流区域的高度和礁体高度相同，长度接近于礁高。

姜昭阳［22］对开孔为圆形的正方体人工鱼礁的流场进行了测试。当水流经过该鱼礁模型时，由于粘性作用，在模型的上方形成上升流，产生了漩涡结构。受模型上部和内部水流的作用，鱼礁尾部分离出很多小的漩涡。这里所研究鱼礁的开孔面积较大，大部分水体直接穿过礁体，在鱼礁上部未形成明显的漩涡结构，只是在鱼礁尾部接近底面区域形成了范围较小的漩涡。

来流速度为11.0 cm/s时，两种迎流方式的鱼礁上升流区域如图5浅色区域所示。由图5可得，不同角度迎流时上升流区域均位于鱼礁的左上角区域并且呈扇形展开，长度较为接近。90°时上升流主要分布在礁体上部，高度较大，范围较广;45°时则主要分布在礁体左上角的前部和上部区域，面积较小。

图5 90°和45°时正方体鱼礁上升流分布区域(U2=11.0 cm/s)Fig.5 Distribution of the upwelling field of a hollow cube artificial reef with 90°and 45°angles(U2=11.0 cm/s)

同种来流速度下，鱼礁90°迎流时的最大上升流速和平均上升流速均大于45°迎流工况。最大上升流速度差距较大，并且随着来流速度的增加差幅逐渐增大;平均上升流速度的差距则较小(图6)。流速为6.7 cm/s和18.0 cm/s时，两种摆放形式下的最大上升流流速度最大相差约2.50倍，11.0 cm/s来流速度时较小，约为1.92倍。三种来流速度下，90°迎流时的平均上升流速是45°迎流时的1.17～1.51倍，两种摆放形式的平均上升流速较为接近。刘洪生［13］等得到正方体人工鱼礁模型产生的最大上升流流速为来流速度的1/3，这里得到中空型正方体人工鱼礁在90°迎流时所产生的上升流是来流速度的0.35～0.39倍，两者较为吻合。

由图7可得鱼礁在两种摆放形式下上升流区域的高度和面积随着流速的增加变化不大。90°摆放时，鱼礁上升流区域的高度是45°时的1.07～1.15倍。上升流面积差距则较为明显，90°与45°迎流摆放形式下上升流面积比值为1.49～1.72。由于45°时的迎流面积较大，因此两种摆放形式下上升流与迎流面积比值的差距更大，约为2.11～2.43倍。鱼礁在90°迎流下较45°时能产生更大规模的上升流。两种摆放形式下，鱼礁产生的上升流的高度和面积随着来流速度的增大，先增加后减小，这与Liu［23］等的研究结果一致。

图6 90°和45°迎流方式下鱼礁的最大上升流速(Vmax)和平均上升流速(Va)Fig.6 Maximum(Vmax)and average(Va)upwelling velocities of a hollow cube artificial reef with 90°and 45°angles

图7 90°和45°迎流方式下鱼礁上升流高度比(Hup/L)和面积比(Sup/S)Fig.7 Hup/L and Sup/S of a hollow cube artificial reef with 90°and 45°angles

正方体人工鱼礁的背涡流规模如图8所示。由于该人工鱼礁的透空结构，90°迎流时上游大部分水体直接穿过礁体到达下游，在礁体下游上下边壁后部形成小范围的缓流区。在鱼礁下游底部，背涡流的高度约0.2倍礁高即礁体边壁的宽度;长度为礁高的0.21～0.37倍。45°迎流时，鱼礁的迎流面积较大，对来流的阻挡作用较强，引起的压力梯度变化较大。该工况下背涡流的高度和长度分别是0.84～0.96和0.73～0.98倍的礁高，背涡流规模较90°时明显增大。

2.2 横向双体组合正方体人工鱼礁

两鱼礁模型沿水槽中轴线对称摆放，理论上会产生相同结构的流场，取靠近相机一侧的鱼礁作为研究对象。三种流速下横向组合鱼礁产生的上升流平均流速分别为1.39、2.16和3.33 m/s，与单体较为接近;高度为礁高的1.33、1.40、1.46倍略小于单体。从流态上看单体鱼礁后部没有出现明显的回流，而组合鱼礁下游底部却形成了形状清晰，规模较大的漩涡(图9)。横向组合鱼礁回流区长度和高度分别是单体时的1.44～2.14倍和1.58～3.81倍。两鱼礁的相互作用对上升流规模和强度的影响较小，对背部流场结构的影响较大。不同来流速度时，在1/2礁体高度以上的鱼礁背部区域，流场流线就趋于平行，而在实体正方体背部，存在着许多不稳定的漩涡，不断的破裂、合并、重联，并且作用范围非常大［24］。

2.3 纵向双体组合正方体人工鱼礁

纵向组合两鱼礁模型沿水流方向摆放在水槽中间，每个鱼礁内部的流场结构都随着间距的增加而不断变化。为定量研究间距变化对纵向组合两鱼礁内部流场的影响，选取鱼礁中轴面上两个代表性切线，对在不同来流速度时该切线上的水平流速(U)的分布进行对比分析。将切线分别命名为P1和P2，其中，P1为单体或者纵向组合第一个迎流鱼礁中分线;P2为单体或者纵向组合第二个迎流鱼礁中分线(图10)。

图8 90°和45°迎流方式下鱼礁背涡流的高度比(He/L)，长度比(Le/L)和面积比(Se/S)Fig.8 He/L，Le/L and Se/S of a hollow cube artificial reef with 90°and 45°angles

图9 三种来流速度下0.5L间距横向组合鱼礁后部流场流线Fig.9 Streamline of flow fields at the rear of two parallel artificial reefs at spacing of 0.5L in three types of inlet velocities

如图11所示，不同来流速度时单体和纵向组合中第一个迎流鱼礁内部水流速度随高度变化的规律相似，大小略有差异。水平流速在礁体底部出现负值，说明有回流产生;在中空段逐渐增加到来流速度大小并保持稳定;在接近鱼礁顶部时流速逐渐减小到零以下，出现2.0～3.0 cm的回流区;越过鱼礁顶部后流速又继续增加，大约在1.33倍礁高以上，水平流速等于来流速度。同种来流速度下，间距为1.0L时鱼礁内部的最大水平流速取得了比单体和其它间距组合更大的值。两鱼礁模型沿水流方向摆放时，会互相产生影响和作用。刘洪生［13］得出，一定来流速度下，当模型间距在1.0～1.5倍模型尺度时，流场变化最大。刘彦等［25］研究发现两纵向组合星体型鱼礁，在间距为1.5倍礁高时两模型的协同作用最强。这里可得，纵向双体中空型正方体人工鱼礁组合在间距为1.0L时取得较强的模型协同作用。

纵向组合第二个鱼礁内部水平流速随高度的变化规律与单体鱼礁类似，但大小有明显差异(图12)。不同间距时该鱼礁内部流速变化比较紊乱，最大水平流速随着间距的增加不断增大，在2.0L时取得最大值但均小于单体工况。不同间距下，鱼礁内底部的流速值最小并且出现负值，即出现回流区域。在鱼礁内上部区域，流速值也较小但基本为正值，为缓流区域。与组合工况不同，单体鱼礁内上部水流速度值小于零，出现了明显的回流现象。

图10 单体和组合工况P1和P2分布示意Fig.10 Sketch of P1and P2of a single and two artificial reefs

图11 三种来流速度下P1水平流速分布Fig.11 Distribution of the horizontal flow velocities along P1in three types of inlet velocities

图12 三种来流速度下P2水平流速分布Fig.12 Distribution of the horizontal flow velocities along P2in three types of inlet velocities

3 结语

1)90°和45°迎流时，上升流均位于鱼礁的左上角区域并且呈扇形展开，长度较为接近。单体正方体鱼礁90°迎流时产生的上升流的规模和强度较45°时大。由于鱼礁的中空结构，90°迎流时大部分来流直接穿过礁体，流速衰减较小，形成较小的缓流区;45°迎流时，在鱼礁内部和背后形成了较大的缓流区，尤其在鱼礁后部出现了大范围的漩涡结构。

2)横向双体组合中单个鱼礁的上升流强度与单体接近，但规模较大;背涡流的形态不同，形成了较单体更大规模的漩涡。纵向双体组合中，第一个迎流鱼礁内部的水平流速受后一个礁体的影响较小，间距为1.0L时流速分布规律和大小与单体接近。第二个迎流鱼礁内部未出现大范围的回流区域，水平流速较单体时明显减小，但随着间距的增加流速逐渐增大。间距为1.0L时，两鱼礁模型取得较强的模型协同作用。

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Experimental study of the flow field around cube artificial reef

LIU Yan1，ZHAO Yun-peng1，CUI Yong2，3，DONG Guo-hai1
(1.State Key Lab of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China;2.Qingdao Key Laboratory for Marine Fish Breeding and Biotechnology，Yellow Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Qingdao 266071，China;3.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering of Ministry of Agriculture，Fishery Machinery and Instrument Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200092，China)

Effects of hollow cube artificial reefs(90°and 45°)and their compounds(parallel and vertical)on flow field have been studied by use of particle image velocimetry techniques for two-dimensional flow field testing under conditions of 6.7 cm/s，11.0 cm/s and 18.0 cm/s.The results show that the scale and intensity of upwelling field of artificial reef at the angle of 90°are larger than those at the angle of 45°;however the scale and intensity of back flow field are smaller.The effects of flow field caused by a single artificial reef are weaker than the one in parallel combination.The flow velocity distributions within the first artificial reef of the vertical combination with different spacing are similar to a single reef.The values of horizontal flow velocities within the second artificial reef are obviously smaller than a single artificial reef and increase with the vertical spacing.

artificial reef;particle image velocimetry;flow field;cube

S953.1

A

1005-9865(2012)04-0103-07

2011-09-06

公益性行业(农业)科研专项资助项目(200903005);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2010-chb-01，2008-gy-01，2007-chb-03);自然科学基金创新群体资助项目(50921001)

刘 彦(1983-)，男，河北邢台人，博士生，主要从事波浪对建筑物的作用研究工作。E-mail:liuyan84829644@yahoo.com.cn