不同布设间距下梯形台人工鱼礁体的水动力特性研究*

于定勇 赵 伟 王逢雨 王世林

不同布设间距下梯形台人工鱼礁体的水动力特性研究*

于定勇 赵 伟 王逢雨 王世林

(中国海洋大学工程学院 青岛 266100)

为研究空心梯形台人工鱼礁体布设间距的变化对其水动力特性的影响, 通过物模实验实测了开口比为0.1的梯形台人工鱼礁体在平行水流方向布设间距为1.0、2.0、3.0(为礁体的底边边长), 前后共6个测点的流速及礁体受力。分析得到了双礁体的上升流规模、阻力系数在平行和垂直水流方向随布设间距变化的规律。采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法模拟了双礁体分别在垂直水流方向布设间距为0.5、1.0、1.5、2.0, 平行水流方向布设间距为0.51.0、2.0、3.0、4.0时的水动力场。结果表明: 本研究数模与物模相同工况下,即双礁体在平行水流方向布设间距1.0、2.0、3.0时,数值模拟的流速值和阻力值与相应的实验结果吻合较好, 说明数值模拟方法可行, 结果可靠。数值模拟结果得到双礁体的上升流规模、阻力系数均与垂直水流方向布设间距成反比。当垂直水流方向布设间距为0.5时, 流场效应最佳; 双礁体的上升流规模随平行水流方向布设间距成正比, 前方礁体阻力系数变化幅度较小, 后方礁体阻力系数逐渐增大; 当平行水流方向布设间距为4.0时, 流场效应最佳。本文研究结果可为单位鱼礁布局设计和参数确定提供参考。

人工鱼礁; 物模实验; 数值模拟; 布设间距; 流场效应; 阻力系数

人工鱼礁体通过将人工构造物投入海底后与波浪和水流相互作用改变附近的流场, 形成上升流或复杂尾流区而发挥作用。合理布放人工鱼礁体一方面可以促进水体循环, 改善海区水质状况, 另一方面可以增加渔获量, 是一种可持续的新型渔业生产模式。

早在1994年新加坡学者Chua等(1994)发现, 混凝土礁体在聚鱼的丰富度方面比轮胎礁体效果更佳, 并且在生产区域增强了生物资源。Granneman等(2015)则对比了加利福尼亚南部5组人工鱼礁体和天然鱼礁在集鱼效果方面的区别, 发现在聚集鱼类丰富度方面人工鱼礁体和天然鱼礁并没有显著差异, 但是人工鱼礁体提高了鱼类密度和生物复杂程度。借助计算机, 很多学者开始使用数值模拟技术研究人工鱼礁体的流场, 如马荍沣等(2018)发现在开口比较小时, 开口单礁体的流场效应优于实心单礁体。Liu等(2013)利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法模拟了开孔方形人工鱼礁体分别在横向(即垂直水流方向, 以下均简称为“横向”)、纵向(即平行水流方向, 以下均简称为“纵向”)及堆叠布置情况下的水流场, 其模拟结果表明, 随着布设间距的增大, 礁体的遮流效应逐渐减弱; 当横向布设间距大于2倍礁长时, 双礁体间的影响消失; 随着纵向布设间距的增大, 礁体缓流区的范围逐渐增大, 但增长幅度会有限制; 当纵向布设间距为4倍礁长时, 缓流区的最大长度为18.5倍的礁长; 当礁体堆叠布置时, 其堆叠高度的增大并不能实现更经济的集鱼效益。国内的庞运禧等(2017)通过数值方法模拟透空率为20%的箱型、梯形台、三棱体多孔空心人工鱼礁体在不同来流速度和布设工况下的流场过程, 结果表明同种模拟工况下人工鱼礁体以90°摆放时形成的上升流和背涡流规模强度达到最大; 同种摆放角度下, 梯形台礁体上升流强度最大。除了使用数值模拟方法, 在物理模型试验方面, Li等(2017)研究了5种不同来流速度和3种不同布置组合情况下圆管型人工鱼礁体周围的流场效应, 发现上升流和背涡流的强度和规模均随着礁体数量的增加而增强。崔勇等(2011)在研究组合方型人工鱼礁体在3种来流速度和4种布设间距条件下的流场效应发现: 当布设间距为1倍礁长时, 上升流的影响面积最大; 当布设间距为1.5倍礁长时, 背涡流效果最好。刘洪生等(2009)通过风洞实验研究正方体、金字塔及三棱柱人工鱼礁体在3种来流速度、4种横向与4种纵向布设间距条件下的水流场, 发现礁体产生的上升流和背涡流的规模随着流速的增大逐渐增强; 相同来流速下, 同种空心礁体上升流和背涡流规模相对于实心礁体小; 当礁体布设间距为1—1.5倍礁长时, 流场效应差异显著, 且横向组合比纵向组合产生的流场效应更佳。刘同渝(2003)通过水槽和风洞实验研究了梯形台、半球型、三角锥体、堆叠式人工鱼礁体的流场效应, 发现水流经过鱼礁体时会在其两侧形成上升流和背涡流, 且上升流区范围约为鱼礁体的1/3, 背涡流距礁体渐远渐弱; 从流场效应看堆叠式礁体优于单礁体, 单礁体中梯形台人工鱼礁体较佳。

总结前人研究发现, 国内外学者主要研究了人工鱼礁在不同摆放方式下礁体周围流场形态随海流流速、礁体形状、礁体迎流角度等方面的变化, 对梯形台双礁体的流场效应、阻力系数随横向及纵向间距的变化情况尚缺乏研究, 因此, 本文通过物理模型实验和数值模拟研究梯形台双礁体水动力特性, 旨在探究礁体上升流规模、阻力系数随布设间距的变化规律, 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

图2 模型侧面示意图(单位: mm)

1.2 实验装置及仪器

物模实验在中国海洋大学水动力实验室循环水槽中进行。该水槽实验段尺寸长、宽、高分别为4、1.2、1m, 水槽可测流速范围0—1.2m/s, 稳定流速范围0—0.8m/s。水槽配有六分力仪传感器(量程0—50kg, 精度±0.3%), 可精确测量礁体在轴方向的受力; 另外水槽配有小威龙Vectrino+点式流速仪(换能器到采样单元距离为5cm, 分辨率为0.01cm/s, 量程0—2m/s, 精度±0.5%), 可精确测量实验过程中礁体周围的流速情况。

1.3 实验方法

实验开始前将礁体固定在直径为0.01m的螺杆上, 螺杆与六分力仪端相连接。实验测量的数据通过桥盒、应变仪等设备传输。礁体模型距离水槽出流口1.64m, 根据物模实验比尺=20, 数模计算域礁前12m对应的是距离水槽0.6m, 1.64m远大于0.6m, 因此模型距水槽出流口1.64m足够。模型底面与水槽底部相接近但不接触, 以水槽底部模拟海底, 假设模型不受缝隙水流影响(姜昭阳, 2009)。

为两礁体之间的距离;为礁体底面边长; A0B1等点是为标明礁体前后测量点位置而设置的坐标点。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0.6m处(即A0B1点)的流速, 使其稳定流速接近0.179m/s, 然后移动流速仪测量礁体前后A1B1、A2B1、A3B1、A4B1、A5B1、A6B1六个测点的流速, 待测点的流速测量值波动幅度较小时, 采集10s的流速数据后重复三次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3所示。

注：: 两礁体之间的距离;: 礁体底面边长; A0—A6等点: 为标明礁体前后测量点位置而设置的坐标点

2 数学模型

2.1 控制方程

假设鱼礁体附近的流场为黏性不可压缩流体的湍流运动, 温度变化不大, 因此能量方程可以忽略。

连续方程:

动量方程:

2.2 湍流模型

2.3 鱼礁结构及模拟计算区域

选取下底面为3m×3m、上底面为1.8m×1.8m、高为2m、开口比为0.1, 根据已有研究, 双礁体之间横向和纵向的影响范围不一样, 一般为横向2倍礁长, 纵向4倍礁长, 因此, 本文横向布设间距分别为0.5、1.0、1.5和2.0、纵向布设间距分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0的梯形台双礁体, 流速取为0.8m/s。礁体结构如图4所示, 数值模拟计算区域如图5所示。

图4 开口比为0.1的梯形台人工鱼礁体结构

初始边界条件设定: