開口人工魚礁繞流三維水流場(chǎng)數(shù)值模擬

開口人工魚礁繞流三維水流場(chǎng)數(shù)值模擬

1人工魚礁的生態(tài)效應(yīng)研究人工魚礁是指人們買賣到海域的建筑物。將其堆放在海底后，由于礁體的防水效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)地效應(yīng)，即上升到礁體前方的河流，并在礁體背面的河流后端形成尾渦流。上升流和尾渦流會(huì)促使海底營養(yǎng)物質(zhì)的卷起和擴(kuò)散,有利于海底豐富的營養(yǎng)物質(zhì)在礁體周圍各水層中的分布,從而改善魚群覓食條件。人工魚礁增殖漁業(yè)資源的生態(tài)效應(yīng)主要是通過人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn),并且人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)也是魚礁水動(dòng)力學(xué)性能的重要方面。正因如此,人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)已得到了廣泛關(guān)注,不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。這些研究所采用的技術(shù)手段包括風(fēng)洞試驗(yàn)、水槽試驗(yàn)以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值仿真等。特別是近年來,隨著計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展和商用CFD軟件的不斷推廣,CFD模擬已成為探究人工魚礁繞流問題的重要手段之一。很多學(xué)者采用CFD仿真或物理模擬對(duì)單個(gè)礁體以及礁體組合條件下的繞流問題進(jìn)行了研究,并取得了可喜的成果。單個(gè)礁體繞流問題的研究表明礁體表面開口對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)具有顯著影響,但是目前的研究大都在某一固定開口尺寸下模擬礁體的繞流問題,對(duì)于開口面積的變化對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響尚缺乏系統(tǒng)分析。鑒于此,本研究將采用CFD技術(shù),選取單個(gè)正方體人工魚礁,仿真不同開口面積下正方體魚礁的三維繞流流場(chǎng),并進(jìn)而分析揭示出開口比變化對(duì)人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響規(guī)律。2開口比和時(shí)間分布如圖1所示,采用邊長為3m,壁厚為0.3m的空心、無底、多孔正方體人工魚礁。礁體的每個(gè)面上都設(shè)有一個(gè)正方形開口(5個(gè)開口的大小一致,每個(gè)面上的開口中心與該面的中心重合)。開口比(φ)表示迎流面上開口的面積與迎流面面積之比。為探究不同開口比下的礁體周圍流場(chǎng)特征,本研究選取魚礁的開口比分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6等6種不同情形。仿真計(jì)算區(qū)域如圖2所示。整個(gè)計(jì)算域的大小為60m×33m×30m。坐標(biāo)原點(diǎn)位于礁體底部中心;自由來流方向?yàn)閤軸正方向;礁體迎流面與計(jì)算域進(jìn)口的距離為6倍礁體高度,礁體背流面與計(jì)算域出口的距離為13倍礁體高度,礁體頂面與計(jì)算域頂部的距離為9倍礁體高度,礁體中心與計(jì)算域兩側(cè)面的距離均為5.5倍礁體高度。3數(shù)值模型3.1模型選取與模型構(gòu)建魚礁繞流為流體力學(xué)中典型的非定常、不穩(wěn)定劇烈分離流動(dòng)。本研究僅探究魚礁繞流的時(shí)間平均特性,因此模擬中選取定常、不可壓的三維N-S方程和連續(xù)性方程,而描寫湍流平均量的封閉方程組則采用RNGκ-ε模型。3.2網(wǎng)格生成采用邊長為0.3m的六面體網(wǎng)格,整個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格單元總數(shù)約為2200000。3.3自由出流條件進(jìn)口采用均勻速度入口條件,來流速度大小(U)分別為0.4和0.8m/s;出口采用自由出流條件;計(jì)算區(qū)域的兩側(cè)面與頂面均采用對(duì)稱邊界條件;計(jì)算域底面以及魚礁各壁面均采用無滑移條件。3.4數(shù)值算法4開口比對(duì)礁體繞流速度分布的影響對(duì)于2種不同來流速度大小(0.4和0.8m/s),模擬得到了6種不同開口比下的正方體人工魚礁繞流的三維水流場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上,分析揭示魚礁開口比的變化對(duì)礁體周圍流場(chǎng)效應(yīng)的影響。圖3是來流速度為0.4m/s時(shí),不同開口比下的礁體繞流在y=0截面(過礁體中心)上的速度矢量分布。從該圖可以清晰看出,由于礁體的阻水作用,當(dāng)水體繞魚礁流動(dòng)時(shí),在礁體迎流面上方以及礁體頂面上方形成上升流,且上升流規(guī)模隨開口比的增大而減弱。事實(shí)上,開口比越大,魚礁的透水作用越強(qiáng),而阻水作用越弱,從而導(dǎo)致上升流效應(yīng)隨開口比的增大而減弱。同樣取水流的z方向速度分量與來流速度之比大于或等于5%的水域作為上升流區(qū)域。通過分析過礁體中心的鉛垂線上的速度分布,得到當(dāng)來流速度為0.4m/s時(shí),上升流最大速度(Vmax)與來流速度(U)的比、上升流平均速度(Va)與來流速度的比、上升流最大高度(Hmax)與礁體高度(H)的比等上升流參數(shù)與礁體開口比的關(guān)系(見表1)。從表1可以看出,由于孔隙的透水作用,在變化趨勢(shì)上,上升流最大速度與來流速度的比以及上升流平均速度與來流速度的比都隨著開口比的增大而降低;而隨著開口比的增大,上升流最大高度與礁體高度的比顯著降低,例如當(dāng)開口比為0.1時(shí),上升流高度為礁體高度的2.78倍,而當(dāng)開口比增大到0.6時(shí),上升流高度降低到礁體高度的1.47倍。從圖3還可以清楚看出,礁體背流面后端的尾渦流隨開口比的增大而明顯減弱。當(dāng)開口比為0.1和0.2時(shí),在礁體背流面后端形成速度很小的大旋渦,而當(dāng)開口比為0.5和0.6時(shí),由于開口的透水作用幾乎觀察不到明顯的背渦區(qū)。圖4是來流速度為0.4m/s時(shí),不同開口比下的礁體繞流在z=1.5截面上的速度矢量分布。從該圖可以看出,當(dāng)水體繞過礁體迎流面時(shí),除形成上升流外(見圖3),還形成側(cè)向流,且側(cè)向流的規(guī)模隨開口比的增加而顯著減弱。從圖4也可以進(jìn)一步看出,礁體背流面后端的背渦區(qū)長度和寬度也隨開口比的增大而降低:當(dāng)開口比為0.1和0.2時(shí),在礁體背流面后端形成區(qū)域較大而速度很小的尾渦區(qū),而當(dāng)開口比為0.5和0.6時(shí),由于開口透水作用的加強(qiáng),在礁體背流面后端已不存在明顯的背渦區(qū)。當(dāng)來流速度為0.8m/s時(shí),不同開口比下的礁體繞流在y=0截面及z=1.5截面上的速度矢量分布形態(tài)與來流速度為0.4m/s時(shí)的情況類似(以開口比為0.1和0.6為例,見圖5和圖6)。同樣通過分析過礁體中心的鉛垂線上的速度分布,得到當(dāng)來流速度為0.8m/s時(shí),上升流最大速度與來流速度的比、上升流平均速度與來流速度的比、上升流最大高度與礁體高度的比同開口比的關(guān)系(見表2)。對(duì)比表1和表2,可以看出,上升流參數(shù)基本不受來流速度大小變化的影響。例如,在同一開口比下,兩種不同來流速度時(shí)的上升流最大速度與來流速度的比、上升流平均速度與來流速度的比、上升流最大高度與礁體高度的比相差分別不超過7.0%、12.5%和3.0%。5開口比對(duì)人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)影響采用CFD技術(shù),數(shù)值仿真了無底、空心、多孔方型人工魚礁(邊長為3m)周圍的三維水流場(chǎng)。模擬中考慮了2種不同來流速度(0.4和0.8m/s)以及6種不同的魚礁開口比(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6)。通過速度場(chǎng)模擬結(jié)果分析,揭示出開口比對(duì)人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)具有顯著影響:①上升流最大速度與來流速度的比、上升流平均速度與來流速度的比,以及上升流的最大高度與礁體高度的比,均隨開口比的增大而降低;②背渦區(qū)的尺度隨開口比的增大而顯著降低,當(dāng)開口比為0.1和0.2時(shí),在礁體背流面后端形成尺度較大而速度很小的背渦流,而當(dāng)開口比為0.5和0.6時(shí)背流面后端已無明顯旋渦區(qū)生成