六角型人工鱼礁流场效应数值模拟

魏丽莹，张宁川＊

（大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

目前，国内外关于人工鱼礁的相关研究多是从不同结构型式、不同来流速度和迎流角度等条件下对流场进行模拟或试验。其中人工鱼礁的结构类型丰富，并且针对特定的人工鱼礁结构，可以对特有的相关结构参数进行优化，如人工鱼礁的单体开口比、开孔方式等。除单礁体模型的研究外，多礁体模型中不同礁体之间的布设间距和布置方式成为影响流场效应的重要因素。由此可见，人工鱼礁的结构型式、特有的相关参数、礁体之间的布设间距和布置方式以及投放的外部环境均会影响到人工鱼礁的流场效应[1-5]。六角型人工鱼礁是一种新型鱼礁结构型式，由六边形多层结构框架、倾斜导流板和支撑脚组成。六角型人工鱼礁构造复杂，结构内部的空腔较大，其透水特性使得水流在通过结构整体时不会显著地沿着固定边界剥离，有效减小旋涡结构的生成，更易于构造适宜鱼类生存的柔和流场。但相关六角型人工鱼礁流场效应的研究文献较少，故本文对六角型人工鱼礁流场效应进行研究。

考虑到Fluent 能够实现对物理现象的模拟与分析，如流体流动、热交换等。同时，还可以对计算的结果进行后处理，包括速度、压力等。因此，本文基于Fluent软件研究不同水动力条件对六角型人工鱼礁流场效应的影响，旨在为评估人工鱼礁产生的流场效应提供参考。

1 数值模型建立

1.1 人工鱼礁模型及位置坐标系

礁体采用框架结构，整体由多层框架、倾斜导流板和支撑脚组成。礁体模型见图1。

图1 六角型人工鱼礁

坐标系原点位于水底六角型鱼礁几何中心处，按照左手螺旋法则定义笛卡尔坐标系。

图2 位置坐标系

1.2 控制方程及边界条件

人工鱼礁水动力学数值模型的基本方程为连续方程与动量守恒方程。

数值水槽的左边界设置为速度入口边界条件；上方边界设置为对称边界条件；右端边界设置为自由出流边界条件；水槽的底部及两侧边界设置为壁面边界条件。

1.3 网格划分

采用FLUENT的Meshing模块对水槽进行网格划分，网格选用六面体核心非结构化网格，对人工鱼礁处网格进行加密，网格划分如图3所示。

图3 网格划分

2 数值模型验证

刘扬采用物理试验的方法对六角型人工鱼礁的流场效应进行了研究[6]，本文对该试验条件进行数值模拟。根据图4和图5可知，试验和数值模拟两种方法下上升流和缓流区域的面积结果差别不大，从而验证了数值模型的准确性。

图4 上升流区域面积随水流流速变化

图5 缓流区域面积随水流流速变化

3 计算结果与分析

定义上升流区域为垂向速度分量与来流速度之比≧10%的区域，缓流区域为水平向速度分量与来流速度之比≦70%的区域。研究考虑水流的流速和流向两个参数对六角型人工鱼礁流场效应的影响。其中，流速为0.5～4.0m/s、流向为0～30°、礁高3m、鱼礁外部直径6m、水深10m。

3.1 来流流速对流场效应的影响

图6 流场效应随水流流速变化（上升流区域）

图7 流场效应随水流流速变化（缓流区域）

由图可知： 随着水流流速的增加，上升流区域的面积呈现出先增加再减少的趋势；缓流区域相对面积的变化趋势并不明显。其中，水流流速为0.5m/s 时，产生的缓流区域的相对长度和相对面积最大。

3.2 来流流向对流场效应的影响

图8 流场效应随水流流向变化（上升流区域）

图9 流场效应随水流流向变化（缓流区域）

由图可知：随着流向角度的增加，上升流的相对高度和面积均呈现出下降的趋势；缓流区域的相对长度和面积下降趋势显著。缓流区域长度的变化范围约为5～6倍的鱼礁长度，面积约为2～3 倍的鱼礁面积。其中，流向角度为0°时，缓流区域的相对长度和相对面积最大。

4 结论

本文基于Fluent 软件，采用数值模拟的方法对六角型人工鱼礁周围流场进行模拟，在水流条件下讨论了水流的流向和流速对六角型人工鱼礁流场效应的影响。

（1）当水流流速在0.5m/s～4.0m/s 范围内变化时，上升流的相对面积在1.9～2.0 范围内变化，缓流区域的面积约为来流向鱼礁投影面积的3～4 倍。其中，水流流速为0.5m/s 时，产生的缓流区域的相对长度和相对面积最大。因此，在工程实际应用中鱼礁应投放在水流较缓的海域。

（2）当流向角度为0°～30°时，缓流区域长度的变化范围约为5～6 倍的鱼礁长度，面积约为2～3倍的鱼礁面积。上升流区域和缓流区域的相对面积均随着流向角度的增加呈现出减小的趋势，其中，流向角度为0°时产生的上升流区域和缓流区域的相对面积最大。因此，在工程实际应用中鱼礁应迎流摆放。