圆筒型鱼礁体纵横布设间距下的水动力特性研究

胡 聪,毛海英*,王开睿

(1.广西科技大学 土木建筑工程学院,广西 柳州 545000;2.中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266100)

人工鱼礁的设置可以修复天然水域中的海水环境,优化流场效应,为鱼虾等海洋生物营造良好的栖息环境。而上升流、涡流和背涡流等流场效应的改变使得水体周围养分的交换更频繁,可修复及改善海洋生态系统,极大提高海洋养分肥沃度,达到渔业资源增殖及保护的目的。

近年来,诸多学者主要采用水槽模型实验、数值模拟等方法对鱼礁体水动力特性进行了大量的研究。水槽模型实验是人工鱼礁水动力学研究的重要方法,可根据实际情况缩小比尺测得各个工况下的模型参数,实验条件良好,过程直观。Christopher和Chou[1]以及Sanchez-Jerez等[2]通过物理模型实验研究了地中海及新加坡海域人工鱼礁体的集鱼作用。Fujihara等[3]通过数值计算物理-生物耦合模型研究了礁体前方上升流的变化。蒋为等[4]、张硕等[5]和Li等[6]采用粒子图像测速实验(Particle Image Velocimetry,PIV),通过改变不同水流速度和人工鱼礁体迎流角度,研究人工鱼礁体产生的上升流及背涡流的变化规律。目前,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件已广泛应用于人工鱼礁水动力数值模拟,可三维动态反映水流形态,数据统计快捷可靠。不同学者研究了立方体框架[7]、米字型[8]、圆台型[9]、三棱体[10]、梯形台[11]等人工鱼礁体对流场效应的影响。部分学者研究了单个礁体的开口比[12-13]、单个礁体的开口直径[14]、多个礁体的布设间距及组合方式[15-16]等因素对人工鱼礁体周围流场特性的影响,为单个礁体构造、礁体组合方式布置的优化设计提供了参考。

本文研究了圆筒型人工鱼礁体的水动力特性,验证了数值计算结果的可信度,开展了不同纵横布设间距下圆筒型鱼礁体的水动力特性研究,并计算了上升流最大高度、上升流水平跨度、上升流体积和阻力系数,分析其产生原理及变化规律,给出了适宜的排列方式及布设间距的距离,为海洋养殖增产提供了科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验礁体

本研究所用的圆筒型人工鱼礁体结构模型如图1所示,底层设置了8个锯齿状弧形栅格,呈对称分布,原型礁体底面齿状外边缘圆直径为3.3 m,顶面外边缘圆直径为2.7 m,上下圆面平均直径为3.0 m,实验礁体底面齿状外边缘圆直径为16.5 cm,顶面外边缘圆直径为13.5 cm,上下圆面平均直径为15 cm,开口比(迎流面开口沿水流垂直方向投影面积与迎流面面积的比值)φ=0.1,物理模型比尺λ=20。生产性鱼礁采用混凝土材料,其中混凝土糙率n实=0.014 0。根据水力相似准则,当λ=20时,模型的糙率n模=n实/λ1/6=0.008 5。有机玻璃较光滑,糙率取值范围为0.007 5～0.008 5,模型采用有机玻璃加工,满足糙率要求。

图1 圆筒型人工鱼礁体结构尺寸(cm)Fig.1 Structural dimensions of the cylindrical artificial reefs(cm)

1.2 鱼礁体水槽模型

图2为圆筒型鱼礁水槽模型实验装置示意图。长2 m、直径为1 cm的连接杆的一端与测力仪连接,另一端与圆筒型人工鱼礁体连接,垂直放置在水槽中央,并使圆筒型人工鱼礁体模型与水槽底部留有微小缝隙但确保不触底(以免影响测力计读数)。采用挪威诺泰克公司生产的Vectrino小威龙点式声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimetry,ADV)进行流速测量,将ADV水平放置于圆筒型鱼礁体前0.6 m处,探头垂直位置高于礁体中心位置5 cm(采样体位于探头下方5 cm处),等到流速稳定后移动流速仪测量礁体周围测点的流速,每个测点实验3次,取其平均值作为该测点的流速测量值。

图2 圆筒型鱼礁水槽模型实验装置Fig.2 Device for water tank model experiment of the cylindrical artificial reefs

原型礁体迎流面前方0.6 m处流速为0.8 m/s,根据重力相似准则,计算得到该位置实验流速为0.179 m/s。待礁体前0.6 m处实验流速稳定后,测量坐标为A1B1、A2B1、A3B1、A4B1、A5B1和A6B1的流速测点的流速(图3)。礁体纵向间距(S)为1.0L和2.0L(L为礁体长度)时测点的布置如图3所示。

图3 不同纵向布设间距下测点布置图(cm)Fig.3 The layout of measuring points under different longitudinal spacing(cm)

1.3 数学模型

1.3.1 控制方程

多数物体周围流体的流动都属于湍流,湍流是一种非稳定的复杂且不规则的三维流动,本研究中控制方程采用不可压缩流体、温度恒定下的连续方程和动量方程,而湍流模型选用常用的RNGk-ε模型。其控制方程如下:

1)连续方程:

2)动量方程:

式中:U i为流量;i=1、2、3,j=1、2、3,i≠j,i和j分别代表x、y和z方向;u i和u j均为x、y和z方向的雷诺平均速度;ρ为流体密度;p为压强;ν为运动黏性系数;为未知的雷诺应力项;f i为体积力;t为时间。

圆筒型鱼礁体周围流线变化幅度较大,且存在高应变率流动,故采用RNGk-ε湍流模型,该模型可较好模拟近壁区内及雷诺数Re较低的流动。其控制方程如下:

1)湍动能(k)方程:

2)湍流耗散率(ε)方程:

式中:μeff为有效黏性系数,μeff=μ+μt,其中μt为湍动黏度系数,,Cμ=0.084 5;G k为由于平均流速梯度引起的湍动能产生项,G k=2μt E ij E ij,其中E ij为时均应变率,;为附加项,;经验常数C1ε=1.42,C2ε=1.68;有效普朗特数αk=αε=1.39;热膨胀系数β=0.012。

1.3.2 水动力计算域

水动力计算中,圆筒型鱼礁体选取0.5L、1.0L、1.5L和2.0L(L取圆筒型鱼礁体上下圆面平均直径3.0 m)四种横向(垂直水流方向)布设间距T,选取0.5L、1.0L、2.0L、3.0L、4.0L和5.0L六种纵向(顺水流方向)布设间距S,来流速度选取0.8 m/s。图4给出了横向布设间距为2.0L时的流场计算域示意图。

图4 横向布设间距为2.0L时流场计算域示意图Fig.4 The calculation domain of the flow field under the transverse layout spacing of 2.0L

2 水动力特性研究

2.1 模型可靠性验证

本文实测了圆筒型人工鱼礁体在纵向布设间距1.0L和2.0L礁体长度下的流场及受力特性,数值计算并验证了物理模型实验中各个测点的流速值及阻力值,图5给出了纵向布设间距为1.0L和2.0L的礁体测点流速模拟换算值(即流速模拟值/λ,λ=20)与实验值的比较结果。

图5 双礁体不同纵向布设间距下测点流速数值模拟换算值与实验值对比Fig.5 Comparison between the numerical simulation conversion values and the experimental values of the flow velocity at measuring points under different longitudinal layout spacing of double reefs

当圆筒型双礁体纵向间距为1.0L时,前方测点无遮挡,受到水流扰动较小,测点A1B1、A2B1、A3B1处流速计算值与实验值相对误差较小,测点A4B1受到后方礁体与实验螺杆的扰动作用较大,测量读数时流速变化范围较大,测量读数3次,取其平均值作为该测点的流速测量值,测量误差为7.2%,随着距离的增加,测点A5B1、A6B1处流速模拟值与实验值相对误差较小。当圆筒型双礁体纵向间距为2.0L时,前后礁体距离较远,实验螺杆的扰动作用相对较小,测量误差为4.1%,计算值和实验值符合度较好。

考虑圆筒型鱼礁体在来流速度不变时的受力情况,此时阻力系数Cd计算式如下:

式中:F为顺水流向阻力(N);A为礁体迎流面积(m2);ρ为海水密度(kg/m3);u为水流速度(m/s)。

表1给出了前方礁体阻力系数模拟值与实验值对比结果。由表1可见,前方礁体阻力系数计算值与实验值的比较,当圆筒型双礁体纵向间距为1.0L时,计算值与实验值相对误差为5.08%(计算值小于实验值),由于前方礁体与后方礁体距离较近,遮流作用较为明显,加上水槽造流电机的振动及实验螺杆的阻力作用,物模实验值比数值计算值稍大。当圆筒型双礁体间距增大到2.0L时,后面礁体扰流现象有所减轻,计算值与实验值相对误差为2.67%(计算值小于实验值),计算值与实验值较吻合。

表1 前方礁体阻力系数模拟值与实验值对比Table 1 Comparison between the numerical simulations and the experimental values of the front reef resistance coefficient

2.2 流场形态

本文选取上升流最大高度、上升流水平跨度和上升流体积指标,来反映圆筒型人工鱼礁体不同纵横间距组合下的水动力特性,其中上升流为垂向速度与来流速度的占比大于或等于5%的流速。

图6为不同横向布设间距的圆筒型双礁体断面速度云图,双礁体流速特性对称分布,双礁体前方存在一定的缓流区,流速范围为0.7～0.8 m/s,圆筒型双礁体急流区范围与布设间距的大小成正比,横向布设距离大于1.5L,圆筒型双礁体急流区范围趋于稳定。表2给出了不同横向布设间距的上升流特性参数,高礁比(上升流最大高度/礁高)、跨礁比(上升流水平跨度/礁长)均随着横向布设间距的增大而减小,上升流体积随着横向布设间距先减小后增大;横向布设距离为0.5L时,上升流最大高度达到礁体高度的2.58倍,横向布设距离为2.0L时,上升流体积达到最大值593.44 m3。

图6 双礁体不同横向布设间距断面速度云图(y=1.5 m)Fig.6 Section speed cloud map under different transverse layout spacing of the double reefs(y=1.5 m)

表2 不同横向布设间距下上升流特征参数比较Table 2 Comparison of upwelling feature parameters under different transverse layout spacing

图7为不同纵向布设间距的圆筒型双礁体断面速度云图。当纵向布设间距小于2.0L时,后方礁体在前方礁体水动力影响范围内,双礁体之间区域流速大部分小于0.2 m/s,双礁体顶部影响区域较大且流速大于0.85 m/s;当纵向布设间距为2.0L～4.0L时,随着礁体距离增大,前方礁体对后方礁体影响逐渐变小;当纵向布设间距为4.0L～5.0L时,后方礁体逐渐离开前方礁体影响区域;当纵向布设间距为4.0L时达到变化拐点,后方礁体上方上升流影响范围逐渐增大且逐渐区域稳定。表3给出了不同纵向布设间距的上升流特性参数,纵向布设高礁比随着纵向布设间距的增大而减小;跨礁比和上升流体积随着纵向间距的增大而增大,但当纵向布设间距大于4.0L时,数值增幅趋于平缓,当纵向布设间距为4.0L时,流场效应较好。

表3 不同纵向布设间距下上升流特征参数比较Table 3 Comparison of upwelling feature parameters under different longitudinal layout spacing

图7 双礁体不同纵向布设间距断面速度云图Fig.7 Section speed cloud map under different longitudinal layout spacing of the double reefs

2.3 阻力系数

横向布设下鱼礁体在水体中对称布置,左右鱼礁体的阻力系数相同,为了研究横向布设间距时双礁体阻力系数的变化规律,引入了左侧礁体和右侧礁体的平均阻力系数,求得双礁体横向阻力系数kH:

式中:Cd为单礁体的阻力系数。

双礁体kH随横向布设间距的变化情况如图8所示,双礁体横向阻力系数随着横向布设间距的增大而减小。当横向布设间距为2.0L时,已经接近单礁体的阻力系数Cd;当双礁体横向布设间距大于2.0L时,随着横向布设间距的增大,礁体之间的影响效应已经很小。

图8 双礁体横向阻力系数随横向布设间距的变化Fig.8 Changes of kH with transverse layout spacing under the case of double reefs

纵向布设下前方礁体与后方礁体的阻力系数差异较大,如图9所示。前方礁体阻力系数随着纵向布设间距的先减小后增大,但变化幅度不大,后方礁体阻力系数随着纵向布设间距的增大而增大,变化幅度较大,并逐渐接近单礁体的阻力系数为0.865。当双礁体距离为5.0L时,后方礁体阻力系数已达到0.701;当双礁体距离大于4.0L时,随着纵向布设间距的增大,礁体之间的影响效应已经很小。

图9 双礁体阻力系数随纵向布设间距的变化Fig.9 Changes of Cd with longitudinal layout spacing under the case of double reefs

3 结 论

本文实测了圆筒型人工鱼礁体在纵向布设间距1.0L和2.0L礁体长度下的流场及受力特性,数值计算并验证了物理模型实验中各个测点的流速值及阻力值,计算值与实验值较吻合,得到主要结论如下:

1)横向布设下,随着横向布设间距的增大,上升流最大高度及水平跨度逐渐减小,上升流体积变化无明显规律,当横向布设间距为0.5L时,上升流最大高度最高,横向布设间距为2.0L时,上升流体积最大。随着横向布设间距的增大,双礁体横向阻力影响系数随着横向间距的增大而减小,当双礁体距离大于2.0L时,随着距离的增大,礁体之间的影响效应已经很小。

2)纵向布设下,随着纵向布设间距的增大,上升流最大高度逐渐减小,上升流水平跨度和上升流体积随着间距的增大而增大,纵向布设间距为4.0L～5.0L时,增加幅度变缓,前方礁体阻力影响系数随着纵向布设间距的增大先减小后增大,但变化幅度不大,后方礁体阻力系数随着纵向布设间距的增大而增大,变化幅度较大,当双礁体纵向布设间距大于4.0L时,随着距离的增大,礁体之间的影响效应已经很小。

综上所述,人工礁体在不同的横向和纵向布设间距下,礁体周围流场的分布以及礁体自身阻力系数都会发生变化,但是变化的趋势有所不同。本研究可为今后人工鱼礁体群投放时礁体间距的选择提供有力的依据。