不同投放方式下星體型人工魚(yú)礁流場(chǎng)的數(shù)值模擬

不同投放方式下星體型人工魚(yú)礁流場(chǎng)的數(shù)值模擬

0人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)目前，人工魚(yú)礁已成為海洋牧場(chǎng)建設(shè)的重要組成部分，引起了人們的關(guān)注。人工魚(yú)礁是人為在海中投放的構(gòu)造物,可為海洋生物提供一個(gè)良好的棲息、生長(zhǎng)、繁育的場(chǎng)所。人工魚(yú)礁投放到海域后會(huì)產(chǎn)生餌料效應(yīng)和流場(chǎng)效應(yīng),改變周?chē)暮Ｓ颦h(huán)境。星體型人工魚(yú)礁是20世紀(jì)80年代在中國(guó)投放使用的一種礁型,經(jīng)過(guò)20多年的使用,發(fā)現(xiàn)星體型人工魚(yú)礁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,附著生物效果顯著且附著生物在礁體各個(gè)面上附著均勻,因此,星體型人工魚(yú)礁可以作為海洋牧場(chǎng)建設(shè)的一種有效礁型。對(duì)于人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的研究,日本走在世界的前列。日本學(xué)者Uekit、Nakamura和Hideshima對(duì)人工魚(yú)礁著底沖擊力和海底礁各種地形產(chǎn)生的涌升流進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的研究主要為水槽和風(fēng)洞試驗(yàn),也有粒子圖像測(cè)速(particleimagevelocimetry,PIV)試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬試驗(yàn),但后面這2種試驗(yàn)比較少。張碩等通過(guò)水槽模型試驗(yàn)對(duì)6種混凝土人工魚(yú)礁模型的上升流特性和背渦流特性進(jìn)行了研究,并對(duì)上升流規(guī)模和背渦流規(guī)模進(jìn)行了定量分析。劉洪生等利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)正方體、金字塔及三棱柱人工魚(yú)礁模型進(jìn)行了流場(chǎng)效應(yīng)的分析。關(guān)長(zhǎng)濤等利用粒子圖像測(cè)速方法對(duì)復(fù)合M型和星體型人工魚(yú)礁模型周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行了分析。此外,還有部分學(xué)者利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法對(duì)人工魚(yú)礁區(qū)流場(chǎng)特性進(jìn)行研究。崔勇等利用ANSYS軟件對(duì)單體星型礁及不同布設(shè)間距的組合正方體礁周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,證明了數(shù)值模擬能夠反映人工魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)。姜昭陽(yáng)利用FLUENT軟件對(duì)單體立方體礁進(jìn)行了受力和流場(chǎng)效應(yīng)的分析,并與PIV試驗(yàn)相結(jié)合,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,表明數(shù)值模擬能較好的反映人工魚(yú)礁周?chē)仙骱捅硿u流情況。人工魚(yú)礁在海中不同的投放方式會(huì)產(chǎn)生不同上升流和背渦流,因而有必要對(duì)不同投放方式的人工魚(yú)礁周?chē)牧鲌?chǎng)效應(yīng)進(jìn)行研究,為人工魚(yú)礁的投放布局提供理論基礎(chǔ)。水槽試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)只能反映人工魚(yú)礁海域局部的流場(chǎng)變化,而不能把握整個(gè)人工魚(yú)礁海域流場(chǎng)的分布和變化;PIV試驗(yàn)可以得到人工魚(yú)礁區(qū)整個(gè)速度場(chǎng)分布,但是耗費(fèi)較大的人力物力;而數(shù)值模擬利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computationalfluiddynamics,CFD)的原理,可以準(zhǔn)確模擬人工魚(yú)礁區(qū)的流場(chǎng)效應(yīng)。本文利用FLUENT流場(chǎng)分析軟件,采用RNGk-ε湍流模型,對(duì)星體型人工魚(yú)礁在不同擺放方式下的流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果顯示擺放方式和布設(shè)間距對(duì)人工魚(yú)礁周?chē)淖畲笊仙髁魉?、上升流面積和背渦流面積均有顯著影響。與其他研究方法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較,進(jìn)一步驗(yàn)證FLUENT數(shù)值模擬軟件能夠準(zhǔn)確分析人工魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng),能夠?yàn)槿斯~(yú)礁在海中的投放方式和投放間距提供理論參考。1數(shù)值模擬方法1.1u3000平均流速根據(jù)所分析的人工魚(yú)礁區(qū)流體的特性,本文將流體假設(shè)為不可壓縮、定常、黏性流體。時(shí)均連續(xù)方程和Reynolds方程如下式中,ρ為流體密度,kg/m3;p是平均壓強(qiáng),Pa;ui,uj是平均流速,m/s;i,j=1,2,3(i≠j)表示直角坐標(biāo)系x,y,z3個(gè)方向,μ為動(dòng)力黏度,Pa·s;為Reynolds應(yīng)力,N。試驗(yàn)采用由Yakhot和Orzag提出的RNGk-ε模型。在RNGk-模型中,所得到的k方程和ε方程如下式中,Gk是由于平均梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng),μeff為有效湍動(dòng)黏度,Pa·s;k為湍流動(dòng)能,J;ε為動(dòng)能耗散率;αk、αε分別為k和ε的普朗特?cái)?shù);C1ε和C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),這些項(xiàng)和系數(shù)的計(jì)算式或取值如下式中,μt為湍動(dòng)粘度,Pa·s;η為無(wú)量綱參數(shù);η0、Cμ、β均為常數(shù);Eij為時(shí)均應(yīng)變率。1.2礁體擺放形式本文采用的星體型人工魚(yú)礁規(guī)格為:星體型魚(yú)礁外接圓直徑為0.8m,高度為1m,壁厚為0.1m,模擬海流的流速分別為0.3、0.5和0.8m/s,單個(gè)礁體擺放形式如圖1所示,2個(gè)礁體采用橫向排列和縱向排列2種不同的擺放方式,橫向組合(兩魚(yú)礁連線(xiàn)與流向垂直)如圖2a,間距為h1=0.5l和h2=1l(l=0.8m),簡(jiǎn)稱(chēng)HZ1、HZ2;縱向組合(兩魚(yú)礁連線(xiàn)與流向平行)如圖2b,間距分別為l1=0.5l、l2=1l、l3=1.5l和l4=2l(l=0.8m),簡(jiǎn)稱(chēng)SX1、SX2、SX3、SX4。1.3模型邊界條件研究表明,對(duì)于數(shù)值模擬而言,當(dāng)計(jì)算域的長(zhǎng)度達(dá)到9倍的魚(yú)礁長(zhǎng)度(魚(yú)礁前方3倍,魚(yú)礁后方5倍),計(jì)算域?qū)挾冗_(dá)到5~6倍礁體寬度,計(jì)算域高度達(dá)到4倍以上礁體高度時(shí),就能正確的反映人工魚(yú)礁周?chē)牧鲌?chǎng)情況。因此,本文將2個(gè)礁體看作一個(gè)整體礁群,尺寸為L(zhǎng)×W×H,整個(gè)計(jì)算域確定為長(zhǎng)方體形狀,尺寸為L(zhǎng)1×W1×H1(9L×6W×5H),其中礁前計(jì)算域長(zhǎng)度為3L,礁后計(jì)算域長(zhǎng)度為5L,如圖3所示。數(shù)值模擬中設(shè)定的邊界條件如下:1)入口邊界條件。入口邊界條件選擇入口速度(3個(gè)入口流速),其中湍動(dòng)能強(qiáng)度和湍流尺度都是根據(jù)計(jì)算域的各項(xiàng)參數(shù)預(yù)先計(jì)算好的。2)出口邊界條件。出口邊界條件選用壓力出口邊界條件,在出口邊界處設(shè)置的靜壓是相對(duì)壓力。3)壁面。魚(yú)礁?jìng)€(gè)體以及海底是固體,因此這兩部分與水流接觸的面就設(shè)定為壁面邊界條件,并且采用默認(rèn)的無(wú)滑移邊界條件。1.4人工魚(yú)礁區(qū)的沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)人工魚(yú)礁計(jì)算域三維流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格。由于礁體周?chē)鸀橛?jì)算敏感區(qū),因此,在魚(yú)礁周?chē)匦略O(shè)定一個(gè)A計(jì)算域,尺寸為L(zhǎng)2×W2×H2(4L×2W×2H),其中礁前長(zhǎng)度與礁后長(zhǎng)度之比為3∶5。該A計(jì)算域包含在總計(jì)算域中,對(duì)A計(jì)算域采用較密的網(wǎng)格劃分,而計(jì)算域的其他部分,也就是遠(yuǎn)離礁體的非敏感區(qū)域采用較稀疏的網(wǎng)格劃分,這樣既可以精確的反映人工魚(yú)礁區(qū)三維流場(chǎng)的情況,又可以降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)算難度(圖4)。各單元尺寸如表1所示。利用GAMBIT軟件建立三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)量為990000—1750000。2結(jié)果與分析人工魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)主要表現(xiàn)為迎流面產(chǎn)生的上升流以及背流面產(chǎn)生的背渦流,因此,上升流和背渦流情況是衡量人工魚(yú)礁效益的重要指標(biāo)。2.1流速大小及其方向圖5為星體型礁橫向組合中不同布設(shè)間距在不同流速條件下的流場(chǎng)速度矢量圖,圖5中線(xiàn)條顏色表示流速大小,箭頭方向表示流速方向。從圖5中可以看出,在不同流速下,組合魚(yú)礁上方均形成加速上升流,魚(yú)礁后方形成背渦流區(qū)域,且組合魚(yú)礁形成的流場(chǎng)沿兩魚(yú)礁的中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布。2.1.1來(lái)流速度對(duì)組合魚(yú)礁升流的影響圖6a為不同布設(shè)間距魚(yú)礁上方上升流最大流速。如圖6a所示,當(dāng)兩魚(yú)礁間距一定時(shí),最大上升流流速隨來(lái)流速度的增加而顯著增大(P<0.05);當(dāng)來(lái)流速度一定時(shí),最大上升流流速受布設(shè)間距的影響較小,表現(xiàn)為HZ2略大于HZ1,差異不顯著(P>0.05)。因此,來(lái)流速度是影響上升流最大流速的主要原因。圖6b為組合魚(yú)礁上升流高度與礁高的比值。從圖6b中可以看出,當(dāng)兩魚(yú)礁間距一定時(shí),上升流高度隨來(lái)流速度的增加而略微增大(P>0.05);當(dāng)來(lái)流速度一定時(shí),上升流高度隨布設(shè)間距的增加也略有增大(P>0.05)。圖6c為組合魚(yú)礁形成的上升流面積。從圖6c中可以看出,當(dāng)兩魚(yú)礁間距一定時(shí),上升流面積受來(lái)流速度影響較小,整體趨勢(shì)是隨來(lái)流速度的增加而增大,但是增大的幅度較小,差異不顯著(P>0.05);當(dāng)來(lái)流速度一定時(shí),上升流面積隨布設(shè)間距的增加而增大,差異也不顯著(P>0.05)。2.1.2來(lái)流速度對(duì)背渦流面積的影響圖6d為不同布設(shè)間距組合魚(yú)礁后方形成的背渦流面積。如圖6d所示,當(dāng)兩魚(yú)礁間距一定時(shí),背渦流面積受來(lái)流速度的影響較小,差異不顯著(P>0.05);當(dāng)來(lái)流速度一定時(shí),背渦流面積隨布設(shè)間距的增加而顯著減小(P<0.05)。2.2布設(shè)間距的影響圖7為星體型礁縱向組合4種布設(shè)間距時(shí)在不同流速條件下的流場(chǎng)速度矢量圖。從圖7中可以看出,布設(shè)間距對(duì)組合魚(yú)礁上升流和背渦流的影響較大。上升流面積和上升流高度均對(duì)布設(shè)間距的增加先增大后減小,礁體間背渦流面積隨布設(shè)間距的增加而增大,礁體后的背渦流面積隨布設(shè)間距的增加先增大后減小,在1.5倍間距時(shí)達(dá)到最大值。2.2.1來(lái)流速度和上升流面積的變化圖8a為4種布設(shè)間距組合魚(yú)礁最大上升流流速。從圖8a中可以看出,當(dāng)兩魚(yú)礁間距一定時(shí),最大上升流流速隨來(lái)流速度的增大而顯著增大(P<0.05);當(dāng)來(lái)流速度一定時(shí),最大上升流流速受布設(shè)間距的影響較小,差異不顯著(P>0.05),整體表現(xiàn)為先增大后減小,在1L時(shí)達(dá)到最大值,約為1.2倍的來(lái)流速度。圖8b為4種布設(shè)間距組合魚(yú)礁上升流高度和礁體高度的比值。如圖8b所示,當(dāng)兩魚(yú)礁間距一定時(shí),上升流高度基本不受來(lái)流速度的影響,差異不顯著(P>0.05);當(dāng)來(lái)流速度一定時(shí),上升流高度隨布設(shè)間距的增大先增大后減小,在1.5L時(shí)達(dá)到最大,約為2.2倍礁體高度。圖8c為4種布設(shè)間距組合魚(yú)礁所形成的上升流面積。當(dāng)兩魚(yú)礁間距一定時(shí),上升流面積隨來(lái)流速度變化的趨勢(shì)不明顯(P>0.05);當(dāng)來(lái)流速度一定時(shí),布設(shè)間距對(duì)上升流面積的影響顯著(P<0.05),趨勢(shì)為上升流面積隨布設(shè)間距的增加先增大后減小,當(dāng)布設(shè)間距為1.5倍礁體尺寸時(shí)達(dá)到最大值,約為1.8倍迎流面積。2.2.2不同來(lái)流速度組合縱向擺放的魚(yú)礁,在兩魚(yú)礁中間和第二個(gè)魚(yú)礁后方均形成背渦流,因此,分析組合魚(yú)礁背渦流效應(yīng)應(yīng)該綜合考慮這2個(gè)背渦流的情況。圖8d為不同布設(shè)間距組合魚(yú)礁中間渦流的面積。從圖8d中可以看出,當(dāng)兩礁體間距一定時(shí),背渦流面積變化不大,不同流速情況下各背渦流面積差異不顯著(P>0.05);當(dāng)來(lái)流速度一定時(shí),背渦流面積隨布設(shè)間距的增加而顯著增大(P<0.05),當(dāng)布設(shè)間距為0.5倍礁體尺寸時(shí),未形成飽滿(mǎn)的渦流,只有少量的回流;當(dāng)布設(shè)間距達(dá)到1.5倍礁體尺寸時(shí),背渦流面積顯著增大,在2倍礁體尺寸時(shí)達(dá)到最大。圖8e為不同布設(shè)間距組合魚(yú)礁第二個(gè)魚(yú)礁后方的背渦流面積。從圖8e中可以看出,當(dāng)兩魚(yú)礁間距一定時(shí),背渦流面積沒(méi)有明顯的變化(P>0.05);當(dāng)來(lái)流速度一定時(shí),背渦流面積隨布設(shè)間距的增加先增大后減小,在1.5倍礁體尺寸時(shí)達(dá)到最大值,約為0.55倍的迎流面積。3討論3.1魚(yú)礁間距分布數(shù)值模擬結(jié)果顯示,在來(lái)流速度一定時(shí),上升流高度和上升流面積隨布設(shè)間距的增加而增大,整體表現(xiàn)為HZ2略大于HZ1;背渦流面積隨魚(yú)礁間距的增大而減小。這與劉彥等采用PIV試驗(yàn)方法得出的上升流與背渦流隨布設(shè)間距的變化規(guī)律一致。3.2縱向組合魚(yú)礁上升流面積與間距縱向組合魚(yú)礁數(shù)值模擬結(jié)果顯示:1)迎流礁體引起的上升流高度受來(lái)流速度的影響較小,主要受布設(shè)間距的影響,在1.5倍布設(shè)間距時(shí)上升流高度達(dá)到最大值。這與崔勇等采用ANSYS得到的方形組合魚(yú)礁上升流高度在1.5倍布設(shè)間距時(shí)達(dá)到最大值的結(jié)論一致(圖9a)。在圖9a中可以看出,方形組合魚(yú)礁上升流高度均大于星體型魚(yú)礁,這與礁體尺寸和礁體形狀有關(guān),實(shí)心方形礁體形成的上升流區(qū)域大于實(shí)心多齒狀不規(guī)則星型礁形成的上升流區(qū)域。2)上升流面積隨魚(yú)礁間距的增加先增大后減小,在1.5倍礁體尺寸時(shí)達(dá)到最大,這與劉彥等采用PIV試驗(yàn)方法和崔勇等采用ANSYS數(shù)值模擬方法得出縱向組合魚(yú)礁上升流面積隨布設(shè)間距的增加先增加后減小的結(jié)論一致。但是,崔勇等指出方形組合魚(yú)礁上升流面積在1倍礁體尺寸時(shí)達(dá)到最大,這與本文結(jié)果不相符,原因可能是礁體形狀與礁體尺寸會(huì)影響迎流礁引起的上升流區(qū)域的流場(chǎng)情況,規(guī)則的實(shí)心礁體產(chǎn)生的上升流與不規(guī)則多齒狀礁體產(chǎn)生的上升流不同。3)兩礁體間背渦流面積隨布設(shè)間距的增加而增大,在2倍礁體尺寸時(shí)達(dá)到最大值,這與崔勇等得出的結(jié)論也一致(圖9b)。圖9b中,迎流面積是指礁體在垂直來(lái)流方向上的最大投影面積,選擇背渦流面積與迎流面積比值作為考察礁體背渦流的指標(biāo),可以減小礁體尺寸對(duì)背渦流面積的影響。從圖9b中可以看出,兩礁體間背渦流面積是方形組合魚(yú)礁大于星體型礁,原因是因?yàn)榉叫谓M合礁尺寸大且形狀規(guī)則,而星體型礁尺寸小而且形狀不規(guī)則,因此兩者對(duì)其后背渦流的影響不同。4)兩魚(yú)礁后背渦流面積與迎流面積的比值隨魚(yú)礁間距的增加先增大后減小,在1.5倍礁體尺寸是達(dá)到最大值,這與劉彥等得出的礁距為1.5倍礁高時(shí)背渦流強(qiáng)度最大的結(jié)論一致。4組合魚(yú)礁的最優(yōu)間距根據(jù)星體型組合魚(yú)礁數(shù)值模擬結(jié)果,通過(guò)分析組合魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論。1)橫向組合中,組合魚(yú)礁第一個(gè)迎流礁形成的最大上升流流速、上升流高度和上升流面積隨魚(yú)礁間距的增加而增大;魚(yú)礁后方背渦流高度和背渦流面積隨魚(yú)礁間距的增大而減小。2)縱向組合中,組合魚(yú)礁第一個(gè)迎流礁形成的最大上升流流速,上升流高度和上升流面積隨魚(yú)礁間距的增大先增大后減小,其中最大上升流流速在礁距為1倍礁體尺寸時(shí)達(dá)到最大,而上升流高度和上升流面積均在礁距為1.5倍礁體尺寸時(shí)達(dá)到最大值;兩魚(yú)礁間的背渦流面積隨礁體間距的增大而增大,在礁距為1.5倍礁體尺寸時(shí)顯著增大,在礁距為2倍礁體尺寸時(shí)