方型组合礁体流场效应及水动力分析

林明健，季新然，2，王凤霞

（1.海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.海南省海洋与渔业科学院，海南 海口 571126；3.海南大学旅游学院，海南 海口 570228）

人工鱼礁是人为投放于水域下用来改善和优化水域生态系统的构造物，礁体本身结构为海洋生物提供了栖息场所［1］.由于礁体固壁面的阻流影响，周围流水流动状态的分离，导致来流向上抬升形成上升流，表层和底层的营养物质交换输送得到明显的加强，增强了鱼礁周围的饵料效应和集鱼效果.并且礁体背面流速减小，形成涡流区，为鱼类等海洋生物提供一个良好繁衍生长、栖息附着的庇护所，使得生态效应得到改善［2］.因此，通过生态和流场效应对于上升流和背涡流的研究，实现对人工鱼礁周围的营养物质输送和鱼类的聚集效应具有积极的现实意义.

Fujihara等［3］使用数值模拟分析得到了鱼礁周围流场上升流的分布范围及流态变化.Jiang等［4−5］对立方、梯形框架多孔礁体流场效应进行了数值模拟，结果表明合理的多孔交叉设计有助于礁体上升流的形成和涡流区的延伸.姜昭阳等［6］对模拟研究不同类型单礁体的断面涡旋面积，结果表明单孔立方体的断面涡旋面积是梯形台礁体的2.3~5.6倍.郑延璇等［7］研究不同圆管型礁体叠加个数对流场影响，结果表明相同流速下，上升流高度和背涡流面积随礁体叠加数量的增大而增大.马荍沣等［8］研究不同开口比对礁体周围流场的影响，结果表明开口比在0.04时流场效应达到最佳.高潮等［9］模拟六面锥型罩式鱼礁的流场及压力场，结果表明礁体高度达到1.5以上，流体出现层流变化，礁体背面发生涡街变化.崔勇等［10］对纵向布置的双礁体进行流场分析，结果表明当两个鱼礁间距大于2个礁长时，可以认为对礁体流场没有明显影响.Wang等［11］研究开孔数量对鱼礁的流场影响，结果显示合理布置礁体的开孔率可以有效提升上升流和涡流场比例.黄远东等［12］模拟三棱柱型礁体背涡流区域的变化规律，结果表明水流速度变化的同时，背流面旋涡结构变化明显，但背涡流内的涡旋最大宽度基本不变.邵万骏等［13］研究迎流角度、不同开口比、来流速度对单礁体周围的流场影响，计算上升流与背涡流的分布范围，分析特定海域人工鱼礁的流态分布，但并未研究多组鱼礁横向布设情况.

为了进一步探究布设间距对组合方型人工鱼礁流场效应的影响，本文研究基于计算流体力学软件FLUENT构建海流与人工鱼礁作用的数值模型，对于横向布置和纵向两种布置方式，模拟4种布设间距（0.5、1.0、1.5、2.0倍礁长L）下，单礁、双礁及三礁体人工鱼礁周围的流场效应，研究结果将对鱼礁的优化布置具有指导意义.

1 数值模型介绍

FLUENT是计算水动力学的专业软件，可用于模拟不可压缩到高度可压缩流体的复杂流动，同时拥有多种求解器和强大的网格生成能力，保证了较好的收敛速度与求解精度，可以输出速度云图、矢量图及等势包络图等.

1.1控制方程与湍流模型黏性不可压缩流体运动的质量守恒方程为：

动量方程为：

上述各式中：p为瞬时压强；xi表示直角坐标；t为时间；Ui为速度矢量；ν表示流体分子运动黏性系数的大小；fi为单位质量力；∇为哈密尔顿算子；ui，uj（i、j=1，2，3，i≠j）分别代表流体在x，y，z方向上的速度分量.

大自然中流体的主要流动状态是层流和湍流，计算模型选取标准壁面函数的RNGk⁃epsilon湍流模型，对于数值模拟方程使用选择非稳态的Navier−Stokes方程［14］，相关的数学方程可以表示为：

式中：k表示湍流动能，Vj为平均速度分量，ε表示湍流耗散，νt为有效的湍流黏度，Rk、Rε表示有效的雷诺数，经验常数CS1，σk和σε通常设置为1.44，1.0和1.3，G表示平均梯度引起湍动能的产生项，它与νt和速度对空间的偏导数相关.Dong等［15］对变量G，νt，Rk和Rε的取值提供了相应算法.

为了便于离散化的性能函数的数值计算，采用有限体积法（FVM）［16］提高流场的求解精度，k−ε湍流模型的RANS方程可以改写为：

其中v是流速，Φ表示动量变量，Γ是和变量Φ相关的扩散系数，SΦ表示源项函数.

1.2礁体模型与流体计算域根据文献［17］中鱼礁水槽实验模型，为了更好地展示数值模拟后礁体周围的流场分辨效果，本文数值模拟将礁体缩尺为0.15 m×0.15 m×0.15 m，整个流体域长度设为30L，宽度与高度均设为12L，即4.5 m×1.8 m×1.8 m.礁体底部与流体域底部贴合，礁体左壁面距来流入口边界长度为4L；本文定量分析单礁、双礁体与三礁体在不同布设间距d下的流场效应，总结出发挥不同组合的流场及生态效应的最优礁体布置方式.

1.3边界条件模拟来流壁面边界设为速度入口见图1，考虑鱼礁一般投放在近海海域，本文研究给定流速1.0 m/s，出流方向边界设为自由出流，防止水流运动至下游产生逆流扰动原有流场.同水流接触的礁体侧面与流体域底面采用无滑移固定壁面边界，流体域前后两侧与顶部壁面设为对称边界，模拟无限流场.

图1 单礁体计算域及边界条件设置

1.4计算区域的网格划分在计算区域的网格划分上，采用ANSYS中的Mesh模块划分成四面体非结构化网格.在礁体周围计算域进行局部加密，使得更好地捕捉礁体附近的流场变化.远离礁体流体域划分采用较大网格结构，单礁体网格划分单元总数为1 565 810个，双礁体网格划分总数为1 894 780个.一定程度上节约了计算成本，并保证鱼礁周围流场拥有良好的分辨效果，便于分析鱼礁周围的流场效应.

2 礁体不同布置形式的流场效应分析

2.1单礁体流场效应的分析评估由于鱼礁周围的流场分布情况与聚鱼效应密切相关，因此合理调整组合礁体间的布局方向和间距，可以实现更为经济的聚鱼效果，文中定量研究鱼礁影响下的有效面积，将无量纲化等速线Vˉ中所包含的面积作为量化因子，其中变量Vˉ由该处流场速度除以入口来流速度取得.在远离礁体影响下，Vˉ在流场中无量纲化速度大小趋近于1.研究流场的速度大小分布与聚鱼效应的关系，应重点强调上升流的分布及背涡缓流的遮蔽效应，因此本文模拟无量纲速度小于1.0的分布情况，通过后处理软件将等速线范围分为0.1~1.0 m·s−1，区间为0.1 m·s−1，如图2所示.为了进一步研究礁体的影响区域范围，定义无量纲化区域

图2 单礁体的无量纲化速度场

其中，A为不同等速线间包围的区域面积，L为礁体长度，定义沿着水流方向布置礁体为纵向布设L x，垂直于水流方向布置为横向布设L y，本文分别研究组合礁距在0.5L，1.0L，1.5L及2.0L情况下的流场影响区域.

水流运动至礁体迎流面，水流向上抬升并在礁体顶部形成上升流，文中取水域中水流垂直Y分量与来流速度的比值大于或等于5%定义为上升流区域［18］.如图3所示，单礁体最大上升流速与来流速度比值约为0.597，上升流最大抬升高度与鱼礁高度比值约为2.567，与黄远东等［18］的研究结果相近，一定程度上为下文多礁体流场效应的研究奠定了基础.同时由于流体分离，礁后流速变缓并脱落形成小涡旋，在礁体后部形成背涡流区.为了更好地研究鱼礁影响后下游的流场变化，Liu等［19］将等速线覆盖面积小于入口流速的0.8倍，定义为鱼礁的庇护效应，分析可得单礁体庇护影响长度范围约为7个礁长.

图3 单礁体周围速度分量分布图（m·s−1）

2.2不同横向布置间距组合的礁体流场效应

2.2.1 双礁体在横向布设下的流场分析 图4a、b、c、d分别给出了双礁体的4种布设间距为0.5L、1.0L、1.5L与2.0L在中轴横切面Y=0.075的流场矢量分布图，由图4可以看出，涡旋结构的流场速度较小，礁体背部涡旋速度主要分布在Vˉ＜0.3之间.与单礁相比，横向布设组合鱼礁背部形成更为清晰、稳定的涡旋结构，但随着横向布设间距的增大，双礁体在横向布设下的流态也更偏向单礁的流场分布.本文分别统计分析单礁、双礁体、三礁体无量纲化速度包络区域，双礁体在不同横向布设间距下的无量纲化速度场如图5所示，表1列出计算后不同横向布设间距下无量纲化面积-A的分布范围.

图4 双礁体在不同横向布设间距下Y=0.075平面的速度矢量分布（m·s−1）

图5 双礁体在不同横向布设间距下的无量纲化速度场

由表1可得Vˉ＜0.9所庇护的无量纲化区域随着布设间距的增大也越来越大，且双礁体在Vˉ＜0.8的庇护下无量纲面积Aˉ约为单礁体的2.06~2.32倍.但无量纲化区域Aˉ在Vˉ＜0.3区间的庇护效应随着布设间距的增大而减小，主要原因是横向布设间距不断增大，鱼礁两边侧向流加速的主导作用使流场产生更明显的影响，使得双礁体的流场也更偏向单礁的流场分布，这与Liu等［19］的数值研究结果一致.因此，本文对于进一步研究开展三礁体及纵向布设的流场效应具有重要意义.

表1 组合礁后不同布设间距下无量纲化面积A的区域范围

2.2.2 三礁体在横向布设下的流场分析 在单礁、双礁体的研究基础上，本文进一步模拟分析了三礁体的流场效应.本文设定了3组横向布设间距0.5L、1.0L与1.5L来研究三礁体周围的流场变化.图6和图7分别给出了中轴横切面下的速度矢量场与无量纲速度场的分布情况，分析可得不同布设间距下三礁体与双礁体的流态结构分布类似.随着布设间距的增大，三礁体不同横向布设间距下无量纲化面积Aˉ也越来越大，但规模强度有所差异.

图6 三礁体在不同横向布设间距下Y=0.075平面的速度矢量分布（m·s−1）

图7 三礁体在不同横向布设间距下的无量纲化速度场

由表1可知，三礁体在Vˉ＜0.8的庇护区域随着横向布设间距的增大而增大，庇护无量纲面积Aˉ约为单礁体的2.58~3.06倍，是双礁体的1.27~1.36倍.随着布设间距的增大，鱼礁两边的侧向流加速主导作用也会影响礁体间的遮蔽效果，即三礁体在Vˉ＜0.3所包络的区域随着布设间距的增大而减小.且在Vˉ＜0.3下所包络的无量纲面积Aˉ约为单礁体的3.12~3.21倍，是双礁体的1.41~1.51倍，可以推断出三礁体随着横向布设间距的增大，流经礁体间及后侧的水流量增大，礁体背部原有的涡旋结构受到破坏，三礁体周围流态也更偏向单礁的流场分布.为了实现更好的聚鱼效应，研究不同布设方向组合鱼礁的流场效应也是必不可少的.

2.3不同纵向布置间距组合礁体的流场效应

2.3.1 双礁体在纵向布设下的流场分析 布设方向也是影响组合礁体周围的流场效应与稳定性的重要因素之一，以下讨论纵向布设下礁体周围的流场分析评估.组合礁体在不同纵向布设间距下无量纲化面积-A的区域范围见表2，随着纵向布设间距的增大，Vˉ＜0.9所包含的庇护面积越大，无量纲速度Vˉ随之增大，同时双礁体中间形成的低流速缓流区域也随着布设间距的增大而增大见图8.当布设间距增大到2.0L时，庇护面积开始变小，为了保持更好的庇护效果，由此可以推断横向布设间距应该控制在1.0~1.5L之间，这与文献［17］水槽实验结论基本一致，验证了本文数值模拟的准确性.

表2 组合礁后在不同纵向布设间距下无量纲化面积的区域范围

表2 组合礁后在不同纵向布设间距下无量纲化面积的区域范围

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图8 双礁体在不同纵向布设间距下的无量纲化速度场

4种纵向布设间距下双礁体在Z=0平面上Y速度分量分布如图9所示，当水流运动到第一个礁体时，由于礁体的阻流作用与固壁面共同影响下，在两个鱼礁之间形成涡旋结构.且随着布设间距的增大，礁体周围的涡旋分布更广，规模更大.布设间距为1.0L时见图10（b），方型鱼礁涡旋发育完全，且涡量分布结构较为稳定.但布设间距增至1.5L~2.0L时，由于水体从涡旋中脱落，涡量大小及分布范围逐渐减小.因此，鱼礁布设间距会对涡量大小和涡量分布范围涡旋产生影响，当鱼礁布设间距为1.0L时更能产生有效、良好的流场调控效应，发挥鱼礁的集鱼效果.方型人工鱼礁在组合礁体的最大上升流速与来流速度比值均呈现先增大后减小的趋势，上升流最大抬升高度与鱼礁高度比值与单礁结构接近，均为2.6左右.礁体背部涡旋速度主要分布在Vˉ＜0.3之间，综上分析得纵向布设Vˉ＜0.3下无量纲面积Aˉ区间范围更大，涡旋结构更稳定，在纵向布设的遮蔽效应下的涡旋结构比横向布设有更好的鱼类聚集效果.

图9 双礁体在不同纵向布设间距在Z=0平面上Y速度分量分布图（m·s−1）

2.3.2 三礁体在纵向布设下的流场分析 本文进一步分析三礁体在纵向布设的流场效应，由表2可知，Vˉ＜0.9所庇护的面积随着布设间距的增大也越来越大，同时礁体间形成的缓流区也越来越大；但礁间距增大到2.0L时，Vˉ＜0.9所庇护的面积有所减小，因此三礁体纵向布设间距应该控制在1.0L~1.5L之间；不同纵向布设间距下，三礁体在中轴纵横切面下的Y速度分量分布与无量纲速度场见图10和图11，三礁体的流场结构分布与双礁体类似，上升流主要分布在第一个礁体的顶部向上一段区域，最大上升流流速贴近在第一个礁体顶部.由图10（c）（d）可知，布设间距继续增大为1.5L时，部分水体从涡旋上开始脱落.三礁体Vˉ＜0.3下无量纲面积-A随着布设间距的增大而增大，约为双礁体的1.53~1.61倍，是单礁体的1.79~5.04，但由图10（b）可知，想要保证良好的流场调控效应，涡旋结构最完整最稳定的布设间距应该设为1.0L.

图10 三礁体在不同纵向布设间距下在Z=0平面上的Y速度分量分布图（m·s−1）

图11 三礁体在不同纵向布设间距下的无量纲化速度场

3 结 论

本文基于FLUENT的数值计算，仿真模拟在来流速度为1.0 m·s−1下，分别定量分析单礁、双礁和三礁体在横、纵方向的不同布设间距下的流场分析，研究统计鱼礁背部的庇护效应、涡旋结构稳定性分析与纵设礁体间的上升流强度与分布情况；结论如下：

1）单礁的背部没出现显著的涡流结构，组合布设礁体间出现了结构稳定、规模较大的涡旋.双礁、三礁体在不同布设情况下对上升流的强度及规模影响很小，但是对于礁后的背部涡流场影响较大.

2）在一定范围内，随着布设间距的增大，礁后背部的涡量分布范围更大；组合礁体纵向布设间距为1.0L时，方型鱼礁涡量发育完全，且涡量分布结构较为稳定，但随着布设间距继续增大，由于水体从涡旋上脱落出现分离扩散，涡量大小及分布范围明显减小.纵向布设遮蔽效应下的涡旋结构较于横向布设有更好的聚鱼与流场调控效应.

3）随着纵向布设间距的增大，组合双、三礁体的最大上升流速与来流速度比值均呈现先增大后减小的趋势，范围在0.586~0.621之间，上升流最大抬升高度与鱼礁高度比值与单礁结构接近，均为2.6左右.