开口比变化对人工鱼礁流场效应影响的评价

马荍沣 张瑞瑾 席彦彬 徐佳诺

摘要针对人工鱼礁周围复杂的流场效应进行的研究已经较为成熟，然而对于不同开口比的人工鱼礁对流场效应影响的系统评价并未提出。针对一组不同开口比的人工鱼礁进行数值模拟，提出关于人工鱼礁流场效应影响的评价体系，并对不同开口比的人工鱼礁的流场效应进行全面评价。评价结果认为开口单体人工鱼礁优于不开口的实心鱼礁，但开口不应过大，在单孔鱼礁情形下，开口比为004时流场效应最优。

关键词人工鱼礁；开口比；流场效应；评价

中图分类号S953.1文献标识码A文章编号0517-6611（2018）05-0105-04

AbstractThe research on complex flow field effect around artificial reef is mature， however， the evaluation of effect of artificial reef with different opening rates on convective field effects was not proposed. Numerical simulation of artificial reef specimens for a set of different openings was carried out，the evaluation system of effect of artificial reef flow field effect was put forward，and the flow field effect of numerical simulation results was evaluated comprehensively. It showed that the opening artificial reef was superior to the nonopening reef，and the opening should not be too large. In the case of singleaperture artificial reef， the flow field effect was optimal when the opening ratio was 0.04.

Key wordsArtificial reef；Open ratio；Flow field effect；Evaluation

人工鱼礁是人们在海中经过科学选点而设置的水中构造物，可起到改善海域生态环境，为鱼类等水生生物的聚集、索饵、繁殖、生长、避敌等提供必要、安全的栖息场所，以达到保护渔业资源和提高渔获量的目的[1-2]。产生这样效果的原因是人工鱼礁的放置，会改变原有海域的流场，如产生上升流和背涡流，进而促进上下层水体的交换，加快海底营养物质的循环，提高海域生产力水平，养护渔业资源[3]。对于不同开口比的人工鱼礁，其周围流场效应会有一定的差异[4-5]。对于人工鱼礁的研究除了现场生物量调查外，多是针对人工鱼礁周围流场效应进行的水槽、风洞试验或数值模拟试验[4，6]。不同鱼礁形状的改变到底对周围流场会产生多大的影响；同一类型的开口鱼礁，多大的开口比对流场的影响更好等这些问题，除了讨论上升流和背涡流2个因素外，还缺乏一个完整的评价体系。该研究旨在立足数值模拟结果对人工鱼礁不同开口比情况下的流场效应产生的影响进行模糊评价，从而建立初步的人工鱼礁流场效应评价体系。

1数值模拟

1.1控制方程

（1）连续性方程：

ux+vy+wz=0（1）

（2）动量守恒方程：

（ρu）t+div（ρuu→）=div（μgradu）-px+Su

（ρv）t+div（ρvu→）=div（μgradv）-py+Sv（2）

（ρw）t+div（ρwu→）=div（μgradw）-pz+Sw

式（1）（2）中u、v和w分别为x、y和z方向速度的分量，t是时间，ρ是密度，u→是速度矢量，μ是动力粘度，p是压力，div是散度，grad是梯度，Su、Sv和Sw是动量守恒方程的广义源项。

（3）能量方程：

（ρT）t+（ρuT）x+（ρvT）y+（ρwT）z

=xkcpTx+

ykcpTy+

zkcpTz+ST

（3）

式（3）中，cp为比热容，T为温度，k为流体的热传导系数，ST为粘性耗散项。需要注意的是虽然能量方程是流体流动与传热问题的基本控制方程，但对于不可压流动，若热交换量很小以致可以忽略时，可以不考虑能量守恒方程。

1.2选用方法与初始条件

数值模拟部分以不同开口比的人工鱼礁为研究对象，采用计算流体力学软件FLUENT，对鱼礁周围的流场效应进行研究。选取k-ε湍流模型，计算区域尺寸设定为150 cm（长）×45 cm（宽）×60 cm（高），试验所选取人工鱼礁模型尺寸同水槽试验，為10 cm×10 cm×10 cm的正方体礁块；选取来流速度作为速度入口条件，流速为18 cm/s。鱼礁模型开口比分别取r1=0，r2=0.01，r3=004，r4=0.09，r5=0.16，r6=0.25，如图1所示。

2数值模拟结果与分析

不同开口大小鱼礁的上升流分布情况如图2，不同开口大小鱼礁的背涡流分布情况侧视图如图3。

随着开口大小的变化，上升流的规模与强度随之有一定的变化。如图4所示，开口越大，上升流的高度相对减小，且上升流的水平跨度也越来越小。但是，当鱼礁开口时，礁体中下部区域的上升流有所增大，且开口过大时（r>0.16），此种现象反而不如之前明显。因此，当鱼礁开口时，在一定程度内会促进上升流带动水体底部营养物质的循环。上升流的最大流速，出现在礁体前段的最上部，其大小随着开口的变大，呈略微减小的趋势。

在人工鱼礁试件开孔之后，礁体后方区域的流场情况变得愈加复杂。在开口比分别为r=0.01和r=0.04时，人工鱼礁后方的向下涡旋和不开口情况相比依然明显，并且其涡旋在水平方向上的长度呈增加的趋势，但是随着开口尺寸的增大，礁体后方的向下涡旋变得越不明显。数值模拟表明，当礁体开口时，在开孔上方与礁体顶端之间还会产生2个相对较小的反方向涡旋。总之，在人工鱼礁开口之后，礁体后方流场情况变得更加复杂，但是随着开口尺寸的连续增大，礁体后方的涡旋现象越不明显。因此，在选取指标时，为了充分考虑此礁体后方区域流场情况的复杂性，该研究并非单

一讨论背涡流的长度、高度等常用数据，而是选取更合理的回流区的长、宽、高的数据。因为当人工鱼礁附近的流场产生回流现象时，在一定程度上对流场水体内微生物、营养物质等对鱼类等产生诱集物质的运动有很大的促进作用，并且使回流区域水流速度减缓，为幼鱼提供休憩水域，对喜好缓流速的鱼类起到诱集作用。如图5所示，随着开口大小的变化，礁体后方流场回流区在高度、宽度以及长度出现变化。在开口比为0、0.01、0.04时，回流区长度逐渐增长，在r=004时最大，在r=0.09以后，回流区长度随开口增大而减小。而回流区的长度和高度，随着开口大小的变大而不断减小。人工鱼礁开口比大小的改变对回流区长度影响最明显，以r=0.04时为变化情况的转折点，可是开口比大小对回流区域的高度和宽度的影响都呈现反比例变化，即随着开口比大小的增加而不断减小。

3开口比对人工鱼礁流场效应影响的评估

3.1评价指标的选取和评价体系的建立

为建立具有条理清晰的对于人工鱼礁流场效应的评价指标体系，应用层次分析法[7]，所建立的指标体系及权重如图6所示。

3.2人工鱼礁开口大小变化对流场效应影响的评价

研究表明，开口大小的变化对鱼礁上升流影响不大，但是对鱼礁后方区域的影响较大。根据所选指标的数值（表1），建立特征值矩阵X，根据鱼礁投放区一般以选择流速较低地区（近岸地区）为前提，指标特征值越大越优。取最大特征值的相对隶属度为1，最小特征值的相对隶属度为0，计算相对优属度，构造相对隶属度矩阵。计算评价对象对优劣的广义距离[8]。最后对任意一种开口情形计算相对优属度，从而得到各个鱼礁流场效应的相对优属度，最后对其排序，结果见表2。

4结论

根据相对隶属度排序可知，对于开口人工鱼礁，开口较小时产生的流场效应较好。在开口比为0.04时，流场效应最好，其次为开口0.01和0.09时。随着开口越大，产生的流场效应反而不如开口较小时，产生此现象的原因如下：

上升流流速随着开口增大逐渐减小，且当开口较大时减小明显；

上升流高度与上升流水平跨度在开口较小时几乎没有变化，但是当开口较大时，上升流高度及水平跨度有一定程度的减小；

在鱼礁开口较小时，回流区范围扩大，但是当开口较大时，由于水流经过开口后流速较大，造成礁体后方不容易产生回流，故回流区范围反而变小。

该研究建立的评价体系虽可应用于工程实际，但是实际生产中的人工鱼礁复杂度较高，在评价工作方面，仅为人工鱼礁流场效应影响搭建了一个初步的评价体系，由此选定一些评价指标和参数，其中很多影响因子的考量和权重要在今后的研究和发展中不断调整和修正。人工鱼礁是海洋牧场工程的重要组成部分，其环境作用、生态功能、经济价值等效果日益显著。其所构建的生态系统也是一个复杂的结构系统，在今后的研究中有待对人工鱼礁的整体效果进行更为全面的指标选择、体系构建和效果评价，为我国的人工鱼礁建设工程提供科学的参考依据。

参考文献

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