一种刺参增殖礁结构设计及流场效应研究

王宏 房恩军 张雪 张晶伟 高燕 曾祥茜

摘要 人工鱼礁是一种设置在水中的人工构筑物，通过人工鱼礁的建设，能够为鱼类等水生生物营造良好的生态环境，从而达到保护和增殖渔业资源的目的。根据刺参自身特点和生长习性，设计一种刺参增殖礁作为人工附着基，通过对刺参增殖礁的水动力学试验，分析刺参增殖礁单体结构对礁体周围流场效应的影响，得出在相同入流速度的情况下刺参增殖礁的受力情况；根据模拟结果，计算出刺参增殖礁上升流体积和背涡流体积，同时对刺参增殖鱼礁单体稳定性进行探讨。结果表明：刺参增殖鱼礁，由于孔径小、间隙密，上升流区和背涡流区的体积均较大。当入流流速为0.5 m/s时，刺参增殖鱼礁抗滑移系数和抗倾覆系数均大于1，表明其具有良好的安全性能。运用水动力模型模拟鱼礁区的流场效应，优化鱼礁结构设计，促进鱼礁的生物诱集和增殖效应最大化，可以为鱼礁区的建设提供理论指导和技术支持。

关键词 刺参；人工鱼礁；流场效应；结构设计

中图分类号 S95  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）06-0196-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.043

開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Structure Design and Flow Field Effect of Sea Cucumber Breeding Reef

WANG Hong1，2， FANG En-jun1，2， ZHANG Xue1，2 et al

（1. Tianjin Fisheries Research Institute/ Bohai Sea Fisheries Research Center， Chinese Academy of Fishery Sciences， Tianjin 300457;2. Tianjin Marine Ranching Technical Engineering Center， Tianjin 300457）

Abstract Artificial reef is a kind of artificial structure set in the water. Through the construction of artificial reef， it can create a good ecological environment for fish and other aquatic organisms， so as to achieve the purpose of protecting and breeding fishery resources. In this study， according to the characteristics and growth habits of sea cucumber， a sea cucumber breeding reef was designed as an artificial adhesion base. Based on the hydrodynamic test of sea cucumber breeding reef， the influence of the single structure of sea cucumber breeding reef on the flow field effect around the reef was analyzed， and the stress of sea cucumber breeding reef under the condition of the same inflow velocity was obtained. According to the simulation results， the up welling volume and back eddy volume of sea cucumber breeding reef were calculated. At the same time， the monomer stability of sea cucumber breeding reef was discussed. The results showed that due to the small aperture and dense gap， the up welling and back eddy volume of sea cucumber breeding reef were both larger. When the inflow velocity was 0.5 m/s， the anti-slip coefficient and anti-overturning coefficient of sea cucumber breeding reef were both greater than 1， indicating that the sea cucumber breeding reef has good safety performance. Hydrodynamic model was used to simulate the flow field effect in artificial reef area and optimize the structure design of artificialreef to maximize the biological attraction and proliferation effect of the artificial reef， which can provide theoretical guidance and technical support for the construction of artificial reef area.

Key words Sea cucumber;Artificial fish reef;Flow field effect;Structural design

人工鱼礁是一种设置在水中的人工构筑物［1-3］，通过人工鱼礁的建设，能够为鱼类等水生生物营造良好的生态环境，从而达到保护和增殖渔业资源的目的［4-6］。在特定海域建造人工鱼礁，对于保护、修复、增殖渔业资源具有重要意义［7-9］。

建设人工鱼礁后，周围水体环境在一定范围内会发生改变［10-11］，对水体扰动、上升、扩散、交换等物理过程的影响如下：一是直接影响礁体周围的流场效应［12-13］；二是影响礁体的物理稳定性［14-17］；三是影响礁体周围营养盐和初级生产力水平［18-19］。

刺参喜欢生活在水流缓慢稳定、潮流畅通、水质清澈、没有大量淡水注入、海藻丰富的岩底或沙质区域，它们喜欢在光线较弱的阴影区域活动，具有昼伏夜出的特殊行为特性。因此，在刺参的增养殖过程中，经常采用添加人工附着基质的方法来减少敌害生物对刺参及其幼体的侵扰，提供夏眠、冬眠以及生长的栖息场所。国内外相关学者对不同形状礁体对刺参的诱集效果进行了相关研究，秦传新等［20］探讨了不同类型附着基对刺参存活率的影响；张辉等［21］探讨了附着基的颜色对刺参行为的影响；张硕等［22］探讨了不同光照条件下，立方体和塔型礁体对刺参的诱集效果；崔勇等［23］探讨了长方体、圆柱体、星型礁体对刺参的诱集效果。

目前，相关研究多是从刺参行为学角度探讨礁体单体结构构型对刺参诱集效果的影响，缺少从数值模型的角度探讨礁体单体结构构型对刺参增殖效果的影响。鉴于此，笔者根据刺参特殊的生活习性，设计一种刺参增殖礁，并运用数值模拟的方法分析了刺参增殖礁单体结构构型对礁体周围流场效应的影响，以期为不同功能性礁体的结构设计提供新的研究思路。

1 数值试验与模型建立

1.1 刺参增殖礁结构设计

根据刺参特殊的生活习性，刺参增殖礁采用3层结构设计，如图1所示。鱼礁底座作为与长方框架结构体一体制出的基座而共同构成一立方结构体，四面侧壁上制有上、中、下3层侧壁通孔，每面侧壁每层均有大、小2个侧壁通孔，侧壁通孔彼此贯通。在四面侧壁上所制的侧壁通孔均为长方形结构，且上、中、下3层侧壁通孔为水平平行设置。底座为：1 200 mm×1 200 mm×150 mm；长方框架为：1 200 mm×1 200 mm×1 050 mm；侧壁大长方形导流通孔为：400 mm×250 mm；侧壁小长方形导流通孔为：200 mm×250 mm。

1.2 计算区域设置

边界条件包括入口边界、出口边界、内部边界、壁面边界、水槽两侧面边界和水槽上面边界。其中，入口边界采用入口边界条件，出口边界采用出口边界条件，内部边界和壁面边界采用壁面边界条件，上边界和侧边界采用对称边界条件［24］。刺参增殖礁采用四面体单元非结构化网格进行网络划分，其中鱼礁周围的网格尺寸较小，远离鱼礁区域网格尺寸逐渐变大。在计算刺参增殖礁的流场时，计算区域如图2所示：x方向尺寸为30.0 m，y方向尺寸为10.0 m，z方向尺寸为7.5 m，刺參增殖礁尺寸为x方向的1/4处［25］。

1.3 控制方程设置

计算区域引入边界条件，流场环境模拟采用k-ε湍流模型，物质浓度扩散采用物质输运模型，不考虑内能，控制方程包括连续性方程和动量方程［26-27］：

连续性方程为：

uixi=0（1）

动量方程为：

ujuixj=fi-1ρpxi+xj（v+vi）uixj+ujxi（2）

式中：ui（i=1，2，3）分别为x，y，z方向的雷诺平均速度；uj为平均速度；fi为重力；ρ为流体的密度；p为压强；v为流体的运动学粘性系数，vi=CμK2ε；湍流能量和耗散率的k-ε方程为［28］：

xikui=xjv+viσkkxj+Gkρ-ε

xiεui=xjv+viσεεxj+1ρC1εεkGk-C2εε2k

（3）

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cu=0.09；k为湍动能量；ε为耗散率；湍动能量k和耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0和σε=1.3；湍动能产生项Gk=-ρu′iu′jujxi。

2 结果与分析

2.1 单个鱼礁的流场效应

分析流场效应时，在计算上升流区域的体积时，取该区域的垂向流速大于入流速度的5%，在计算背涡流区域的体积时，取该区域流速小于入流速度的80%为判据［24］。入口海流速度依据渤海湾潮流场的数值模拟结果，取0.5 m/s。如刺参增殖礁礁体附近流场速度的等值线图（图3）所示，刺参增殖礁上升流区域形成于礁体迎流面，涡流区域形成于礁体内部和背流面，刺参增殖礁由于迎流面两列窗口的大小不一致，水流在礁体两侧的流场形态存在一定差异，其迎流面开孔率较小，其上升流和背涡流强度较大，在其礁体内部也出现了涡流形态。

2.2 上升流和背涡流影响范围计算

刺参增殖礁上升流区域为垂向流速大于入流流速5%的区域，背涡流区域为迎流面流速小于入流流速80%的区域［24］。对刺参增殖礁数值模拟结果进行分析，计算得出刺参增殖礁上升流区域和背涡流区域的体积分别为73.64、77.83 m3。

2.3 刺参增殖礁稳定性分析

对刺参增殖礁进行数值模拟，刺参增殖礁周围的压强分布如图4所示。计算得出在相同入流速度的情况下刺参增殖礁的受力情况，刺参增殖鱼礁受到的水平冲击力（Fh）为483.58 N。

鱼礁抗滑移能力可以用抗滑移系数（S1）来描述，即当礁体模型最大静摩擦力大于波流作用力的情况下，礁体不产生滑移现象［20］，即必须满足下列公式：

S1=（Wg-F0）μFmax>1（4）

式中：μ为水泥礁与底部的摩擦系数，计算中取值为0.55；W为鱼礁自重；F0为浮力。

鱼礁抗倾覆能力可以用抗倾覆系数（S2）来描述，抗倾覆系数可以用下列公式计算：

S2=M1M2=（Wg-F0）L1FmaxLmax>1（5）

式中：M1为重力和浮力对倾覆支边的合力矩；M2为潮流作用下礁体最大作用力对倾覆支边的力矩［28］；L1为水平方向力臂；Lmax为礁高［24］。

在潮流作用下不发生倾覆的条件为重力和浮力的合力矩M1大于潮流作用下礁体最大作用力矩M2，即S2>1。计算得出刺参增殖鱼礁的抗滑移系数S1和抗倾覆系数S2分别为34.38、19.21。刺参增殖鱼礁礁体的抗滑移系数和抗倾覆系数均大于1，表明安全性能表现良好。

3 结论与讨论

刺参喜欢生活在水流缓慢稳定、水流通畅的隐蔽区域，增加刺参增殖鱼礁整体结构的复杂性和通透性，可以减少敌害生物对刺参及其幼体的侵扰；缩小刺参增殖鱼礁礁体孔径及间隙，能够为刺参提供有利于隐蔽的阴影区域，并且能够为底栖藻类提供宽阔的生长区域；刺参增殖鱼礁礁体产生的上升流和背涡流能够促进礁体周围水体和营养物质的交换，能够为刺参提供充足的饵料。

该研究根据刺参自身特点和生长习性，设计一种刺参增殖礁作为人工附着基，通过对刺参增殖礁的水动力学试验，分析了刺参增殖礁单体结构对礁体周围流场效应的影响，运用Fluent软件，通过物理建模、网格划分、数值计算对刺参增殖鱼礁进行数值模拟，并采用Tecplot软件对模拟结果进行处理分析，对相同水流条件下刺参增殖鱼礁单体所造成的上升流和背涡流的体积进行探讨。结果表明：刺参增殖礁上升流区域形成于礁体迎流面，涡流区域形成于礁体内部和背流面，刺参增殖礁由于迎流面两列窗口的大小不一致，水流在礁体两侧的流场形态存在一定差异，其迎流面开孔率较小，其上升流和背涡流强度较大，在其礁体内部也出现了涡流形态。通过计算得出，刺参增殖鱼礁上升流区和背涡流区的体积分别为73.64、77.83 m3。刘长根等［25］利用数值方法对大窗型、大小窗型、卍（万）字型、双层贝类鱼礁进行了流场分析，其中卍（万）字型鱼礁底座尺寸为2.05 m，体积较大，对流场的扰动最大，因此其背涡流体积最大。刺参增殖鱼礁由于迎流面两列窗口的大小不一致，水流在礁体两侧的流场形态存在一定差异，其迎流面开孔率较大窗型鱼礁和大小窗型鱼礁都小，由于其孔径小、间隙密，其上升流体积最大。进一步分析礁体本身的设计对礁体周围流场产生的影响有所不同，无论是上升流还是背涡流都与礁体的形状、大小、迎流面开口大小有关。该研究对刺参增殖鱼礁单体稳定性进行探讨，结果表明：当入流流速为0.5 m/s时，刺参增殖鱼礁抗滑移系数和抗倾覆系数均大于1，表明其具有良好的安全性能。

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