不同布设间距下方型人工鱼礁体的水动力特性数值研究❋

于定勇， 王逢雨， 钟延超， 杨远航

(中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100 )

社会发展速度快，渔业资源需求量也随之增大,近年来一些不合理的渔业发展模式,破坏了海洋生物的栖息地，导致海洋渔业资源急剧减少。《山东省人工鱼礁建设规划(2014—2020年)》中提到,山东在2020年前在沿海区域将投入建设9大人工鱼礁带，40个人工鱼礁群。

人工鱼礁是指人们在水中经过科学选点而设置的构造物,是海洋牧场的重要组成部分,它可以为近海幼鱼等水生生物提供避难所，以及促进上下层海水循环流动。放置人工鱼礁后，可改变附近区域的流场效应，在海流、波浪的作用下水体上下混合和产生涡流，形成的上升流可引起海底营养物质的交互循环，能改善人工鱼礁区周围的海域生态环境，促进浮游生物的繁殖能力，使礁体附近形成较理想的索饵区，方便水生生物觅食，其暴露的表面可供海藻附着和生长，还可以避免使用非法渔具进行捕捞，保护渔业资源。研究人工鱼礁的流场效应对增殖渔业资源具有非常重要的意义。

Falcão等[1]对营养盐通量和有机颗粒物在人工鱼礁区和非人工鱼礁区的差异进行了对比，分析了人工鱼礁对水中营养盐通量和有机物颗粒的影响。

Woo等[2]利用数值模拟方法对人工鱼礁的水动力特性进行了研究，给出了包括透空立方体在内的24种不同形状人工鱼礁阻力系数值，结论表明阻力系数受礁体迎流角度的影响较明显，与初始流速没有太大关系。

Liu和Su[3]通过数值模拟研究了无底方型双礁体连线垂直于来流方向和竖直堆叠布放时礁体的流场效应，结果表明双礁体连线垂直于来流方向布设时流场效应较好。

唐衍力[4]对圆形开口鱼礁进行了水槽实验，礁体分有盖和无盖两种，边长为0.15 m、开口比为0.22，实验得到了礁体在不同来流速度、不同迎流角度下的阻力系数。

刘彦[5]通过物理模型实验和数值模拟方法研究了在不同来流速度下双方体组合鱼礁的流场效应，得到了组合礁体较优的投放形式。

关长涛等[6]采用数值模拟方法分析了不同雷诺数条件下，摆放方式和布设间距对三圆管型人工鱼礁流场效应的影响，得到了上升流和背涡流的规模和强度随雷诺数、布设间距的变化情况。

总结前人工作成果可以了解到，对于各种摆放形式下的组合人工鱼礁体，国内外学者主要从不同礁体形状和海流速度对礁体水动力特性的影响进行了研究，尚缺乏对于开口双方型礁体流场效应、阻力系数随布设间距变化情况的科研工作，已有研究[7]表明上述流场效应在一定程度上受礁体布设间距变化的影响。为了探究礁体阻力系数和上升流特性参数随布设间距的变化情况，本文通过数值模拟和物模实验研究了双方型人工鱼礁体的水动力特性，为礁区布局方案的确定提供参考。

1 物模实验

1.1 模型制作

图1 礁体模型Fig.1 Reef model

1.2 实验装置及仪器

实验在中国海洋大学水动力循环水槽中进行。水槽尺寸为5.0 m×1.2 m×1.2 m，其底部及两侧面均由透明玻璃构成，造流装置位于水槽一端，通过调节其电机频率改变流速。水槽中水深为1 m时可达到的水流速度为0～1.50 m/s，稳定流速为0.15～0.80 m/s。本次实验水深设置为0.95 m，当实际情况下海流速度为0.80 m/s时，根据重力相似准则，水槽进口流速设置约为0.18 m/s。实验采用ADV声学多普勒流速仪测量测点流速，采样频率为200 Hz，采用六分力仪测量礁体在水流中的受力，采样频率为100 Hz。

1.3 实验方法

选择开口比为0.3的方形开口双礁体，实验开始之前在礁体模型表面打孔，利用螺母将模型固定在直径为0.01 m的螺杆上并垂直悬挂在水中，前方礁体模型迎流面距离水槽入口距离为2 m，通过移动后方礁体，改变两礁体模型间的距离实现双礁体布设间距的变化。模型底面与水槽边壁相接近但不接触，水槽边壁作为模拟海底。假设礁体模型底部不受缝隙水流的作用，当礁体表面和水槽自由液面距离较远时，不考虑自由液面的影响[9]。螺杆另一端与六分力仪相连接(见图2、3)。通过信号调节器和A/D转换仪将测量的数据信号传输至数据采集和处理系统。

图2 模型的安装示意图Fig.2 Installation diagram of reef model

图3 实验所用六分力仪Fig.3 Six-dimentional force transducer

每次实验开始之前，用流速仪测量距离第一个礁体模型迎流面前方0.6 m处的流速，使其稳定流速接近0.178 m/s，然后移动流速仪测量礁体前后测点的流速，当待测点的流速测量值波动幅度较小时，采集30 s的流速数据后取平均值作为该测点的流速测量值。不同布设间距下测点位置如图4所示。

图4 不同布设间距下双礁体模型测点位置示意图(y=1.5 m)Fig.4 Sketch map of measurement points position of double reefs with different disposal spaces

2 数学模型

2.1 控制方程

假设人工鱼礁体附近是不可压缩的黏性流体进行的湍流运动，温度几乎不变，将能量方程忽略。

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中：ui(i=1，2，3)分别为x、y、z方向的雷诺平均速度；ρ为流体密度；p为压强；v为运动黏性系数；fi为体积力。

2.2 湍流模型

本文采用RNGκ-ε两方程模型计算黏性流体运动。此模型可以对湍流结构较小、分布较均匀的湍流流动[7]进行有效的模拟，对于本文人工鱼礁体流场效应的研究比较适用。

湍动能κ方程：

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

其中：

C1ε=1.42;C2ε=1.68；

Prandtl数：ακ=αε=1.39；

热膨胀系数：β=0.012；

本文采用有限体积法离散控制方程，采用二阶迎风格式对各方程进行空间离散，采用SIMPLEC算法进行压力-速度耦合，采用标准差分格式进行压力项处理，划分非结构化网格，计算残差值取10-5，通过数值模拟方法对方型礁体的水动力特性进行研究，分析礁体布设间距的变化对其上升流特性参数、阻力系数的影响。

2.3 鱼礁结构及模拟计算区域

选取边长L为3 m、开口比为0.3、沿水流方向布设间距分别为0.5L、1.0L、2.0L、4.0L的方形开口双礁体，流速取为0.8 m/s。礁体结构如图5所示，仿真计算区域见图6。

图5 开口比为0.3的方型人工鱼礁体结构Fig.5 Sketch of cubic artificial reef with 0.3 opening ratio

图6 布设间距为2.0L的双礁体流场计算域示意图Fig.6 Computational domain sketch of double reefs with disposal space of 2.0L

设定如下初边界条件：

(1) 计算域入口设置来流速度为0.8 m/s的速度入口边界条件(Velocity inlet)，给出边界上湍动能κ和湍动耗散率ε，设置了边界上各方向的速度矢量分量。

(2)计算域出口边界设置为自由出流边界条件(Outflow)。

(3)计算域的两个侧面设置为对称边界(Symmetry)。

(4)计算域顶面设置为具有与入口水流相同速度，剪切力为零的可移动壁面，礁体表面和计算域底面设置为无滑移壁面(Wall)。

2.4 模型可靠性验证

2.4.1 网格收敛性验证 网格收敛性验证为了减小数值模拟过程中由于网格尺度所产生的误差，以布设间距为2.0L的双方型礁体举例，采用不同的网格尺寸对计算域进行了划分，以前面礁体的阻力系数作为变量进行了网格收敛性验证，结果见表1。

由表1可以看出当布设间距为2.0L的双礁体计算域最大网格尺寸为0.500 m时，收敛性较好，此时网格尺寸对礁体阻力系数影响较小，因此本文采用0.500 m作为数值模拟时的最大网格尺寸，礁体表面网格高度第一层边界层设为0.002 m，增长率为1.1，共设置10层。

表1 不同网格尺寸模拟结果Table 1 Simulation results with different gird sizes

基于上述的数值模型，模拟研究了当布设间距分别为0.5L、1.0L、2.0L、4.0L时，开口比为0.3的双礁体上升流特性参数和阻力系数的变化情况。

2.4.2 实验验证 实验验证礁体阻力系数是表征人工鱼礁体稳定性的重要参数。本文数模时仅考虑来流速度不变时礁体的受力情况，通过下式求得阻力系数：

(5)

式中:F为礁体沿水流方向受力(N)；ρ为海水密度(kg/m3)；A为礁体迎流面积(m2)；u为水流速度(m/s)。

将Fluent软件模拟得到的测点对应位置处的流速和前方礁体阻力系数值与物模实验结果进行对比，j见图7和表2。

从图7中可以看出在第一个礁体迎流面前方测点流速模拟值与实验值相对误差较小，在两礁体间及第二个礁体背流面后方测点流速相对误差较大，测点流速模拟值和实验值最大相对误差分别为10.22%和10.76%，相对误差较大的测点出现在两礁体之间和第二个礁体后方，水流流经礁体后在此处流场变得复杂，流速变化剧烈。进行物模实验测量流速时，偶然误差不可避免地会出现，同时由于此处流速较小，较小的流速变化可能带来较大的相对误差，除去此点，其他测点流速模拟值和实验值相差较小，二者吻合较好。

图7 不同布设间距双礁体测点流速模拟值与实验值比较Fig.7 Comparison of the simulated and measured velocities of the measuring stations of the double reefs with different disposal spaces

表2给出了前方礁体阻力系数数值模拟值和实验值的相对关系，由表2可以得到在布设间距为2.0L时，前方礁体阻力系数模拟值与实验值之间相对误差较大，约为1.64%。整体来说前方礁体阻力系数模拟值与实验值结果吻合较好。

表2 前方礁体阻力系数模拟值与实验值比较Table 2 Comparison of the simulated and measured Cd of the front reef

由图7和表2可以看出本文通过数值模拟得到的双礁体测点流速和礁体受力与物模实验结果较为吻合，表明本文模拟计算所采用的方法是可行的，数值模拟结果是可信的。

3 水动力特性研究

3.1 流场形态

通过数值模拟得到了开口比为0.3的方形开口双礁体在布设间距为0.5L、1.0L、2.0L、4.0L时的水动力特性。本文将上升流区定义为水流z方向上速度分量与来流速度之比大于或等于5%的区域，这是由黄远东等[10]提出的；缓流区定义为水流X方向上速度分量与来流速度之比绝对值小于40%的区域。

由图8可以看出后方礁体产生的上升流区主要集中于迎流面上方尖角处。随着布设间距的增加，后方礁体产生的上升流区的规模增大，但整体上升流区体积逐渐减小。两礁体之间没有上升流区的分布。表3中Hmax/H表示上升流最大高度/礁高，Wmax/W表示上升流水平跨度/礁宽，Vmax/V表示上升流体积/礁体体积。由表3可得，上升流特性参数值随双礁体布设间距的增加而逐渐减小，当布设间距为0.5L时，上升流特性参考值最大。

图8 双礁体纵向中轴断面上升流区分布图Fig.8 Velocity contour of upwelling zone on center longitudinal section of double reefs

图9表示了开口比为0.3的双礁体在来流速度为0.8 m/s的条件下z=1.5 m截面上的速度矢量分布。由图9和表4可以看出当布设间距为0.5L时，缓流区最大影响范围与后方礁体背流面距离约为4.8倍礁高，当布设间距增加至2.0L时，缓流区最大影响范围与后方礁体背流面距离约为6.3倍礁高，当布设间距继续增加至4.0L时，由于前方礁体对后方礁体的遮蔽效应减弱，缓流区最大影响范围与后方礁体背流面距离减小至5.6倍礁高。模拟工况下，随着布设间距的增加，缓流区体积逐渐增大。

表3 上升流特性参数随布设间距的变化Table 3 Upwelling current characteristic parameters changing with different disposal spaces

图9 不同布设间距双礁体横向中轴断面速度云图Fig.9 Velocity contour on transverse section of double reefs with different disposal spaces

表4 缓流区体积随布设间距的变化Table 4 Volume of subcritical flow area changing with different disposal spaces

3.2 阻力系数

由图10可以看出当两礁体布设间距为0.5L～2.0L时，前方礁体阻力系数值变化较小，当间距为4.0L时，前方礁体阻力系数值较大，约为1.30。随着布设间距的增加，前方礁体对后方礁体的遮蔽效应减弱，后方礁体受到的水流作用力逐渐增大，阻力系数值逐渐增大，当两礁体布设间距增加至4.0L时，后方礁体阻力系数值增大至0.47。

图10 双礁体阻力系数与布设间距的关系Fig.10 Relation between the drag coefficient and disposal space

两礁体沿水流方向布设时，后方礁体受前方礁体的遮流阻力影响程度与布设间距有关，当两礁体布设间距与礁高的比值D/L较小时，后方礁体处于前方礁体后紊乱流场区域范围内，受前方礁体遮流影响较严重，甚至可能处于前方礁体后方负压区，受吸力而出现阻力负值；随着D/L值增大，后方礁体远离前方礁体复杂的流场区域，受前方礁体的遮流影响变得微弱，处于正压区，阻力较大；当两礁体间距与礁高比D/L增大到一定程度后，后方礁体将处于前方礁体流场恢复区段，遮流影响微弱到可忽略不计。

(6)

图11 双礁体kz与布设间距的关系Fig.11 Relation between kz and disposal space

图11给出了礁体遮流阻力影响系数kz随其布设间距比的变化关系。通过拟合得到双礁体kz值与布设间距比的关系式为：

kz=0.003 2(D/L)2+0.039(D/L)+0.11。

(7)

为了提高拟合公式的可靠性，增加了3种工况，布设间距分别为3.0L、5.0L、6.0L。当布设间距比为1.0L时，kz模拟计算值为0.174，拟合公式计算值为0.152，相对误差较大，约为12.64%。整体来说kz模拟计算值和拟合公式计算值吻合较好。由图11可以看出kz值随着布设间距的增加而增大，在布设间距较大时，kz值较大，说明此时两礁体之间的流场受到礁体结构的干扰程度较小。

4 结论

本文通过数值模拟计算得到的礁体周围测点流速及受力值与物模实验实测值吻合较好，说明本文所采用的计算方法是可行的。因此，本文利用数值模拟研究了不同布设间距下方型人工鱼礁体的水动力场，通过分析礁体布设间距对其阻力系数和上升流特性参数的影响，总结为以下三点：

(1)人工鱼礁体的水动力特性随布设间距的变化而产生一定的差异。在模拟工况下，随着布设间距的增大，双礁体产生的上升流体积逐渐减小，缓流区体积及遮流阻力影响系数kz均逐渐增大。

(2)当双礁体布设间距在0.5L～6.0L之间时，遮流阻力影响系数kz与布设间距比的关系可用下式表述：

kz=0.003 2(D/L)2+0.039(D/L)+0.11。

(3)当双礁体沿水流方向布设间距为0.5L时，其上升流特性参数值最大。当双礁体沿水流方向布设间距为2.0L时，其缓流区最大影响范围最广。由此可见，流场效应较好的布设间距为0.5L～2.0L。研究结果可为礁区布局方案的确定提供参考。