不同开口形式方型人工鱼礁的水动力特性数值模拟研究

毛海英,胡 聪,王逢雨,王 莉

(1.广西科技大学 土木建筑工程学院,广西 柳州 545000; 2.水电水利规划设计总院,北京 100120; 3.中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266100; 4.商丘工学院 土木工程学院,河南 商丘 476000)

引 言

随着我国经济的高速发展,海水养殖业得到了迅速发展,但也导致了渔业资源的急剧衰退,因此加快建设新型海洋牧场[1-3]已成为调整渔业产业结构、新旧动能转换、促进渔业一二三产融合发展、推动企业转型升级的重要抓手。人工鱼礁作为海洋牧场的重要组成部分,具有改善海洋生态环境、诱集和增殖鱼类的功能[4-7]。因此,通过向海域投放人工鱼礁已成为一种提高渔业资源的有效手段。

人工鱼礁体的投放会改变礁体周围的流场特性,在礁体周围会产生上升流和背涡流,从而引起营养盐等物质的沉积改变及上下层水流的交换。目前,国内外学者针对人工鱼礁周围的水动力特性已经做了许多研究工作,研究方法主要有水槽模型试验、数值模拟等方法。在研究的初期主要采用水槽实验来观察鱼礁周围的水动力特性[8-9]。随着计算机的发展,计算流体力学(CFD)开拓了人工鱼礁体周围水动力特性研究的新方法[10-12]。国内研究人员针对框架型与沉箱型[13]、塔型桁架[14]、方形[15]、米字型[16]、双层十字翼型[17]人工鱼礁体的流场特性、稳定性、阻力系数进行了研究分析,与实验对比发现吻合性较好,能够准确的描述人工鱼礁体周围的水动力特性。部分学者研究了单个礁体的开口比[18-20]、单个礁体的开口直径[21]、多个礁体的布设间距及组合方式[22-23]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。

国内外学者的研究表明人工鱼礁体能够有效地改善海洋生态环境、诱集和增殖鱼类,主要从人工鱼礁体的选型、迎流角度以及流场变化等方面进行单一开口比的研究,对于人工礁体不同开口形式、形状下流场效应、阻力系数、礁体受力变化规律研究较少。本文研究方型人工鱼礁体不同开口形式变化对其水动力特性的影响,给出不同开口形式下方型人工鱼礁体的流场分布特征、上升流规模、阻力系数随开口形式的变化规律,为实际礁体的设计选型提供参考。

1 数值模型

1.1 假设条件

为降低人工鱼礁体周围三维湍流计算的难度,作了以下几个假设,具体如下:

(1)假设水是不可压缩、粘性的牛顿流体;

(2)假设水为等温流动,不考虑热交换;

(3)假设水流动处于非稳定状态。

1.2 控制方程

在计算粘性流体运动时采用RNGk-ε两方程模型,此模型可以有效模拟分布较均匀、湍流结构较小的湍流流动,适合人工鱼礁体流场效应的研究,其满足以下控制方程:

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;ν为运动粘性系数;fi为体积力。

湍动能k方程:

(3)

湍流耗散率ε方程:

(4)

本文采用有限体积法离散控制方程,压力-速度耦合采用SIMPLEC算法,压力项处理采用标准差分格式,各方程空间离散均采用二阶迎风格式,计算残差值取10-5,采用非结构化网格,通过数值模拟方型礁体水动力特性,研究海流作用下不同开口形式方型人工鱼礁的水动力特性及其变化规律。

1.3 鱼礁结构及边界条件

开口比(φ)为各开口垂直于迎流面礁体投影面积与礁体迎流面面积之比,为研究不同开口形式下的水动力场,采用了边长为3 m的方形人工鱼礁体。研究中,选择了两方孔、四方孔、两圆孔、四圆孔4种开口形式,每种开口形式下涉及3种开口比(0.1、0.2、0.3)。图1为开口比为0.3的方型四圆孔人工鱼礁体结构示意图,流速取为0.8 m/s,分析人工鱼礁体周围流场特性、阻力系数的分布规律。

图1 方型人工鱼礁体结构4圆形(开口比为0.3)

假设流体是粘性、不可压缩的,计算边界条件的设置如图2所示:

图2 计算区域示意图(单位:m)

(1)左侧为入口边界,设置平均流速为0.8 m/s速度入口边界,设置边界上各方向的速度矢量分量,并给出边界上湍动能k和湍动能耗散率ε;

(2)右侧为出口边界,出口边界设置为自由出流边界条件;

(3)顶面设置为具有与入口水流相同速度的可移动壁面,剪切力为零;

(4)底面和礁体表面设置为无滑移壁面;

(5)计算域的两侧面设置为对称边界。

2 海流对人工鱼礁体作用的数值模型验证

文中选择涡粘模型中的RNGk-ε两方程模型,该模型属于湍流非直接数值模拟方法中的Reynolds平均法(RANS),计算区域采用四面体非结构化网格形式。为对湍流模型选择、参数设置的正确性以及网格有效性进行检验,选择唐衍力[10]所建的边长为0.15 m,开口比为0.22无底立方体人工鱼礁进行数值模拟,该礁体顶面及侧面均有直径为0.04 m圆形开口,如图3所示。礁体表面第一层边界层网格高度为0.002 m,增长率为1.1,共设置12层。设定来流速度为0.5 m/s,测点相对位置分布如图4所示[10],将计算结果与已有学者进行的水槽实验和数值模拟结果进行对比,对比结果如图5及表1所示。

表1 礁体阻力系数Cd实验值与模拟值的比较

图3 圆形开口的人工鱼礁体模型图

图4 测点相对位置分布示意图“○”点测点

图5 测点流速的实验值与模拟值的比较

根据上述对比结果可以看出,本文建立的数值模型所得到的测点流速及人工鱼礁体的阻力系数和其他学者的物理模型实验以及数值计算结果都吻合较好,这有力地证明了选择本文方法建立数值计算模型进行海流作用下人工鱼礁动力特性研究是可行的。

3 不同开口形式下方型人工鱼礁的水动力特性研究

3.1 礁体流场特性分析

图6和图7分别是圆形开口和方形开口下y=1.5 m截面礁体内部及周围的流场分布,图中来流流速均为0.8 m/s,礁体边长3 m。图中可看出,在开口比较小时在礁体背面形成了流速较小的背涡区。当开口比和开口形状相同时,方形开口下礁体内部及背部会有大部分的流速较小区域,而圆形开口下礁体内部及背部水流交换都较为顺畅,因此在相同的情况下应优先考虑圆形开口形式。

图6 圆形开口下速度矢量图

图7 方形开口下速度矢量图

图8和图9分别是开口形状相同时上升流最大高度、上升流体积分布图。研究中,对于上升流区域的定义采用何文荣等[11]提出的概念,即礁体附近竖直方向速度分量大于或者等于来流流速的5%的区域。从图中可知,随着开口比的增加,由于开口部分的分流作用,礁体的流管效应减弱,从而呈现上升流的最大高度和上升流的体积都减小的趋势。在方形开口下,开口比相同时,2个方形开口时礁体周围上升流最大高度下降的速度要缓于4个方形开口的情况,而开口个数的变化对于上升流体积的影响较小。在圆形开口时,随着开口比的增大,2圆形开口礁体周围上升流的最大高度和上升流体积减小程度要大于4个圆形开口的情况。

图8 开口形状相同时上升流最大高度

图9 开口形状相同时上升流体积

图10和图11分别是开口个数相同时上升流最大高度、上升流体积分布图。由图可知在各开口比下,在开口个数相同时,圆形开口时的上升流最大高度和上升流体积均优于方形开口形式。当开口个数为2个时,随着开口比的增加,圆形开口时上升流最大高度和上升流体积下降速度较快;而在4开口的情况下,相应开口比的情况下,二者的下降速度明显放缓,尤其是4个圆形开口时上升流体积明显大于2个圆形开口。

图10 相同开口个数时上升流最大高度

图11 相同开口个数时上升流体积

3.2 人工鱼礁水动力系数研究

礁体阻力系数是表征人工鱼礁体稳定性的重要参数。已知礁体的阻力系数,其在水下抗滑移、抗倾覆安全系数便可通过计算求得。本文数值模拟中仅考虑礁体在来流速度不变时的受力情况,从而获得阻力系数,其中阻力系数可通过以下公式求得:

(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)。

图12和图13分别给出了在圆形开口、方形开口下方型人工鱼礁的阻力系数变化曲线。在四种开口形式下,阻力系数均随着开口比的增大而增大,但是在方形和圆形开口形式下呈现了一定的差异性。圆形开口形式下,2圆开口和4圆开口在3种开口比形式下阻力系数差值较小,且阻力系数维持在较高水平。方形开口下,随着开口比的增加,4方开口的水阻力系数与2方开口的差值逐渐增大,2方开口的水阻力系数增加缓慢且基本维持在1.5以下。

图12 圆形开口下的阻力系数

图13 方形开口下的阻力系数

4 结论

人工鱼礁体的流场效应及水动力系数是评价礁体性能的重要指标。鱼礁投放后形成的上升流、涡流等多种流态,将使海底深层的营养盐类带到光照充足的上层,促进了浮游生物的繁殖,提高了海洋的初级生产力,从而引起鱼礁周围生态环境的改变及大量鱼类的聚集。本文以方形人工鱼礁体作为研究对象,采用计算流体力学的方法(CFD)对不同开口形式下人工鱼礁体周围的水动力特性进行了研究,得到以下结论:

(1)在流场分布方面:当开口比和开口形状相同时,方形开口下礁体内部及背部会有大部分的流速较小区域,而圆形开口下礁体内部及背部水流交换都较为顺畅,因此在相同的情况下应优先考虑圆形开口形式。

(2)开口形状相同时,上升流最大高度和上升流体积方面:随着开口比的增加,上升流的最大高度和上升流的体积都有减小的趋势;2方形开口时礁体周围上升流最大高度下降的速度要缓于4方形开口的情况,而开口个数的变化对于上升流体积的影响较小;2圆形开口礁体周围上升流的最大高度和上升流体积减小程度要大于4圆形开口的情况。

(3)开口个数相同时,上升流最大高度和上升流体积方面:圆形开口时的上升流最大高度和上升流体积均优于方形开口形式;当开口个数为2时,随着开口比的增加,圆形开口时上升流最大高度和上升流体积下降速度较快;而在4开口时,相应开口比的情况下,二者的下降速度明显放缓,尤其是4圆形开口时上升流体积明显大于2圆形开口。

(4)人工鱼礁水动力系数方面:4种开口形式下,阻力系数均随着开口比的增大而增大,但是在方形和圆形开口形式下呈现了一定的差异性;圆形开口形式下,阻力系数差值较小,且阻力系数维持在较高水平;方形开口下, 4方开口的水阻力系数与2方开口的差值逐渐增大。