于定勇， 王逢雨， 張彩霞， 謝雨嘉

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266100 )

隨著近海漁業(yè)資源的不斷枯竭，通過(guò)建設(shè)人工魚(yú)礁體來(lái)發(fā)展大規(guī)模的海洋牧場(chǎng)已成為一種有效的豐富漁業(yè)資源手段。

人工魚(yú)礁體作為海洋牧場(chǎng)的重要組成部分，是通過(guò)在海中設(shè)置構(gòu)造物，改善海域生態(tài)環(huán)境，營(yíng)造海洋生物棲息的良好環(huán)境，為魚(yú)類(lèi)等提供繁殖、生長(zhǎng)、索餌和庇敵的場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)保護(hù)、增殖和提高漁獲量的目的。

Granneman 等[1]通過(guò)對(duì)比加利福尼亞南部5組人工魚(yú)礁體和天然魚(yú)礁在集魚(yú)效果方面的差異分析，發(fā)現(xiàn)人工魚(yú)礁體和天然魚(yú)礁在魚(yú)類(lèi)豐富度方面沒(méi)有顯著差異，但人工魚(yú)礁體在魚(yú)類(lèi)密度和生物復(fù)雜程度方面趨于偏高。

Li等[2]通過(guò)數(shù)值模擬和PIV實(shí)驗(yàn)研究了5種不同來(lái)流速度和3種不同布置組合情況下圓管型人工魚(yú)礁體周?chē)牧鲌?chǎng)效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)上升流和背渦流的強(qiáng)度和規(guī)模均隨著礁體數(shù)量的增加而增強(qiáng)。

姜昭陽(yáng)[3]基于CFD方法和PIV技術(shù)研究了單孔、多孔方型人工魚(yú)礁體和梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體各斷面壓力分布、流場(chǎng)效應(yīng)和礁體的受力情況，發(fā)現(xiàn)由于方型和梯型臺(tái)迎流面與來(lái)流方向夾角的差異，方型礁體對(duì)來(lái)流的阻力要強(qiáng)于梯型臺(tái)礁體，所產(chǎn)生的流場(chǎng)范圍相對(duì)梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體較為廣泛。

劉同渝[4]通過(guò)水槽和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了梯型臺(tái)、半球型、三角錐體、堆疊式人工魚(yú)礁體的流場(chǎng)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)水流經(jīng)過(guò)魚(yú)礁體時(shí)會(huì)在其兩側(cè)形成上升流和背渦流，且上升流區(qū)范圍約為魚(yú)礁體的1/3，背渦流距礁體漸遠(yuǎn)漸弱；從流場(chǎng)效應(yīng)看堆疊式人工魚(yú)礁體最佳，梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體次之。

龐運(yùn)禧等[5]通過(guò)數(shù)值方法分別模擬了透空率為20%的箱型、梯型臺(tái)、三棱體多孔空心人工魚(yú)礁體在不同來(lái)流速度和布設(shè)工況下的流場(chǎng)過(guò)程。結(jié)果表明同種模擬工況下人工魚(yú)礁體以90°擺放時(shí)形成的上升流和背渦流規(guī)模強(qiáng)度達(dá)到最大；單礁體時(shí)箱型魚(yú)礁體產(chǎn)生的流場(chǎng)效應(yīng)更佳。

馬荍灃[6]等通過(guò)選取k-ε湍流模型的數(shù)值方法分別模擬了不同開(kāi)口比的單體人工魚(yú)礁，發(fā)現(xiàn)開(kāi)口單體人工魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)明顯優(yōu)于不開(kāi)口的單體實(shí)心魚(yú)礁，但開(kāi)口不應(yīng)過(guò)大，在單孔魚(yú)礁情形下，開(kāi)口比為0.04時(shí)流場(chǎng)效應(yīng)最優(yōu)。

由上述研究工作可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)人工魚(yú)礁體的研究主要集中于單一開(kāi)口比情況下人工魚(yú)礁體周?chē)鲌?chǎng)形態(tài)隨海流流速、魚(yú)礁體形狀、魚(yú)礁體迎流角度等方面的變化，但對(duì)梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體的研究及其流場(chǎng)效應(yīng)隨開(kāi)口比和海底坡度的變化情況尚缺乏研究，而已有研究工作[7-8]表明魚(yú)礁體開(kāi)口比和海底坡度變化對(duì)上述流場(chǎng)特性有一定的影響。本文利用Fluent軟件模擬了不同工況下梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體流場(chǎng)過(guò)程，旨在探究魚(yú)礁體流場(chǎng)效應(yīng)受開(kāi)口比和海底坡度變化的影響程度，為實(shí)際魚(yú)礁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模型及魚(yú)礁體結(jié)構(gòu)

1.1 控制方程

假設(shè)魚(yú)礁體附近的流場(chǎng)為粘性不可壓縮流體的湍流運(yùn)動(dòng)，溫度變化不大，因此能量方程可以忽略。

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：ui(i=1，2，3)分別為x、y、z方向的雷諾平均速度；ρ為流體密度；p為壓強(qiáng)；ν為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；fi為體積力。

1.2 湍流模型

本文采用RNGκ-ε兩方程湍流模型，該模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)；選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)內(nèi)及Re數(shù)較低的流動(dòng)[9]。

湍動(dòng)能κ方程：

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

其中：

Prandtl數(shù)：ακ=αε=1.39；

熱膨脹系數(shù)：β=0.012;

1.3 魚(yú)礁體結(jié)構(gòu)及模擬計(jì)算區(qū)域

魚(yú)礁體4個(gè)側(cè)面開(kāi)口形式相同，開(kāi)口比(φ)定義為魚(yú)礁體迎流面在垂直于水流方向上開(kāi)口的投影面積與迎流面投影面積之比[7]。圖1為開(kāi)口型梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體結(jié)構(gòu)示意圖

本文選取的梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體下底面為3 m×3 m、上底面為1.8 m×1.8 m、高為2 m、開(kāi)口比φ分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；海底坡度分別為θ1=0°、θ2=1.15°(tanθ2=1/50)、θ3=1.91°(tanθ3=1/30)、θ4=5.71°(tanθ4=1/10) 的海域，為研究海底坡度的影響，分別考慮了θ5=10°、θ6=20°兩個(gè)較大的坡度。設(shè)魚(yú)礁體下底面長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，礁高為H，計(jì)算域設(shè)定長(zhǎng)度為魚(yú)礁體前4L、礁后6L、寬度為6W、高度為5H[10]；加密區(qū)設(shè)定尺寸為5L×3W×3H[11]；流速取值為0.8 m/s(見(jiàn)圖2)。

圖2 計(jì)算區(qū)域

本文所設(shè)定的初始邊界條件：

(1)入口邊界設(shè)置為速度入口，來(lái)流速度為0.8 m/s，并設(shè)定邊界上湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率；

(2)出口邊界設(shè)置為自由出流；

(3)計(jì)算域的兩側(cè)面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界；

(4)計(jì)算域的頂面設(shè)置為具有與入口水流相同速度的可移動(dòng)壁面，剪切力為零，底面和魚(yú)礁體表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。

2 模型可靠性驗(yàn)證

2.1 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文湍流模型、參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分的準(zhǔn)確性，選擇姜昭陽(yáng)[3]建立的4個(gè)側(cè)面均開(kāi)有直徑D=3.5 cm的圓形開(kāi)口，壁厚為1.2 cm，上底面邊長(zhǎng)a=6 cm，下底面邊長(zhǎng)b=10 cm，礁高h(yuǎn)=7 cm的梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖3所示。

圖3 梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體

本文使用ANSYS Workbench 【Mesh】模塊對(duì)計(jì)算域進(jìn)行四面體單元非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。數(shù)學(xué)模型中加密區(qū)網(wǎng)格尺寸為0.01 m，其他計(jì)算域網(wǎng)格尺寸為0.02 m，來(lái)流速度為0.212 3 m/s，表1給出了模擬結(jié)果與姜昭陽(yáng)[3]的PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比。

表1 礁體阻力結(jié)果對(duì)比

由表1可知，本文的魚(yú)礁體阻力數(shù)值模擬值與姜昭陽(yáng)[3]PIV實(shí)驗(yàn)值較為接近，表明本文的數(shù)值模擬是可行的，結(jié)果是可信的。

2.2 網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證

為了減小在數(shù)值模擬中由網(wǎng)格尺寸所致影響，選取開(kāi)口比為0.3的梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體進(jìn)行模擬。加密區(qū)網(wǎng)格尺寸為0.250 m，其他計(jì)算域網(wǎng)格分別為0.900、0.700、0.500、0.300 m，網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證以礁體阻力系數(shù)為變量，結(jié)果如表2所示。

表2 不同網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果

由表2可得，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.500 m時(shí)，礁體阻力系數(shù)值較為穩(wěn)定，網(wǎng)格收斂性較好?？紤]計(jì)算效率，本文加密區(qū)網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.250 m，其他計(jì)算域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.500 m。

3 數(shù)值結(jié)果

基于上述模型，模擬了7種開(kāi)口比、6種海底坡度梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體周?chē)鲌?chǎng)，并重點(diǎn)分析魚(yú)礁體的上升流水平長(zhǎng)度、最大高度、豎向最大速度和背渦流水平長(zhǎng)度、水平寬度、最大高度的變化。

3.1 流場(chǎng)效應(yīng)隨開(kāi)口比變化

本研究中上升流區(qū)域定義為水流z方向速度與來(lái)流速度之比大于或等于5%的水域[12]。背渦流區(qū)域定義為水流x方向速度小于0的水域[13]。

圖4分別給出了來(lái)流速度為0.8 m/s時(shí)，7種不同開(kāi)口比魚(yú)礁體在海底坡度為0、y=1.5 m截面上的上升流區(qū)域分布圖。圖5給出的是魚(yú)礁體上升流體積與開(kāi)口比的關(guān)系。由圖4、5可知：當(dāng)開(kāi)口比為0時(shí)，魚(yú)礁體上升流體積最大。隨著魚(yú)礁體開(kāi)口比的增大，來(lái)流受到魚(yú)礁體開(kāi)口的分流增多，上升流體積逐漸減小。通過(guò)最小二乘法擬合可得魚(yú)礁體上升流體積(y)與開(kāi)口比(φ)的關(guān)系式為:

y= -268.9φ+ 202.0。

(5)

表3中Hu-max/H為魚(yú)礁體產(chǎn)生的上升流最大高度與礁高之比，Lu-max/L為上升流水平長(zhǎng)度與礁長(zhǎng)之比，Vz-max/V為上升流區(qū)豎直方向最大速度與來(lái)流速度之比。由表3可知，隨著魚(yú)礁體開(kāi)口比的增大，由于分流作用的影響，上升流最大高度和豎向最大速度均逐漸減??；當(dāng)魚(yú)礁體開(kāi)口比為0.2時(shí)，其所產(chǎn)生的上升流最大高度約為魚(yú)礁體高度的2.75倍，這與姜昭陽(yáng)[3]得出的數(shù)模結(jié)果相近；而上升流水平長(zhǎng)度呈現(xiàn)先增大后減小，當(dāng)開(kāi)口比為0.3時(shí)達(dá)到最大值；由于梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體迎流面與水平來(lái)流存在一定夾角，阻水作用小于單孔方型人工魚(yú)礁體，因此，魚(yú)礁體迎流面對(duì)水平來(lái)流起到一定的加速作用，其所產(chǎn)生的上升流豎向最大速度大于單孔方型人工魚(yú)礁體，對(duì)海底營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向上傳輸以及吸引魚(yú)群具有積極的作用。

圖4 不同開(kāi)口比魚(yú)礁體y=1.5 m平面上升流區(qū)分布圖

圖5 魚(yú)礁體上升流體積與開(kāi)口比的關(guān)系

表3 不同開(kāi)口比變化對(duì)上升流特性參數(shù)的影響

圖6給出的是來(lái)流速度為0.8 m/s時(shí)，7種開(kāi)口比魚(yú)礁體在y=0 m截面上的速度矢量分布。由圖可知，開(kāi)口比為0時(shí)，魚(yú)礁體后方產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的漩渦，此區(qū)域一般稱(chēng)為背渦區(qū)，隨著開(kāi)口比的增大，漩渦逐漸消失；其他當(dāng)開(kāi)口比由0變化到0.1時(shí)，魚(yú)礁體周?chē)俣仁噶糠植驾^為復(fù)雜；當(dāng)開(kāi)口比大于0.4時(shí)，由于魚(yú)礁體開(kāi)口透水作用增強(qiáng)，速度矢量趨于平行，因而沒(méi)有明顯的背渦區(qū)。

表4中Hv-max/H為魚(yú)礁體產(chǎn)生的背渦流最大高度與礁高之比，Lv-max/L為背渦流水平長(zhǎng)度與礁長(zhǎng)之比，Wmax/W為背渦流水平寬度與礁寬之比。當(dāng)魚(yú)礁體開(kāi)口比為0.1時(shí)，其背渦流最大高度和水平寬度最大，水平長(zhǎng)度略小于開(kāi)口比為0時(shí)的值；當(dāng)魚(yú)礁體開(kāi)口比為0時(shí)，其背渦流水平長(zhǎng)度約為礁長(zhǎng)的2.33倍，這與劉同渝[4]得出的背渦流水平長(zhǎng)度為礁長(zhǎng)的2～3倍相一致；隨著魚(yú)礁體開(kāi)口比的增大，圓孔分流作用增強(qiáng)，其背渦流水平長(zhǎng)度及水平寬度逐漸減小。

圖6 不同開(kāi)口比魚(yú)礁體y=0 m平面速度矢量分布

表4 不同開(kāi)口比變化對(duì)背渦流特性參數(shù)的影響

3.2 流場(chǎng)效應(yīng)隨海底坡度的變化

海底坡度是人工魚(yú)礁區(qū)選擇的重要因素之一，它可影響?hù)~(yú)礁體周?chē)牧鲌?chǎng)效應(yīng)以及礁體的穩(wěn)定性。通常人工魚(yú)礁體投放的海域海底坡度為0～5°左右，本文為研究海底坡度對(duì)魚(yú)礁體周?chē)鲌?chǎng)效應(yīng)的影響選取開(kāi)口比分別為0.1、0.3、0.5的梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體，假定海底平坦，將魚(yú)礁體放置于海底坡度分別為θ1=0°、θ2=1.15°(tanθ2=1/50)、θ3=1.91°(tanθ3=1/30)、θ4=5.71°(tanθ4=1/10) 的海域，為研究海底坡度的影響，分別考慮了θ5=10°、θ6=20°兩個(gè)較大的坡度。

圖7 海底坡度示意圖

由表5～10可得，在相同海底坡度下，上升流和背渦流特性參數(shù)與開(kāi)口比的關(guān)系和上文保持一致；當(dāng)魚(yú)礁體開(kāi)口比不變時(shí)，隨著海底坡度的增加，魚(yú)礁體產(chǎn)生的上升流最大高度、水平長(zhǎng)度和豎向最大速度均逐漸增大；當(dāng)開(kāi)口比為0.5、海底坡度為5.71°時(shí)，對(duì)應(yīng)的上升流最大高度約是海底坡度為0時(shí)的1.72倍，流場(chǎng)效應(yīng)更佳；而魚(yú)礁體產(chǎn)生的背渦流范圍幾乎不受海底坡度的影響。

表5 開(kāi)口比為0.1時(shí)不同海底坡度變化對(duì)上升流特性參數(shù)的影響

表6 開(kāi)口比為0.3時(shí)不同海底坡度變化對(duì)上升流特性參數(shù)的影響

表7 開(kāi)口比為0.5時(shí)不同海底坡度變化對(duì)上升流特性參數(shù)的影響

表8 開(kāi)口比為0.1時(shí)不同海底坡度變化對(duì)背渦流特性參數(shù)的影響

表9 開(kāi)口比為0.3時(shí)不同海底坡度變化對(duì)背渦流特性參數(shù)的影響

表10 開(kāi)口比為0.5時(shí)不同海底坡度變化對(duì)背渦流特性參數(shù)的影響

4 結(jié)論

本文利用Fluent軟件中的RNGκ-ε湍流模型，模擬了7種開(kāi)口比和6種海底坡度下梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體周?chē)乃鲌?chǎng)，分析了其流場(chǎng)效應(yīng)在不同開(kāi)口比和海底坡度情況下的變化，得到了如下結(jié)論。本文研究結(jié)果可為人工魚(yú)礁體的設(shè)計(jì)提供參考。

(1)在海底坡度不變的情況下，梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體產(chǎn)生的上升流體積、最大高度和豎向最大速度均隨開(kāi)口比的增大而減??；而上升流水平長(zhǎng)度先增大后減小，當(dāng)開(kāi)口比為0.3時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)開(kāi)口比為0.1時(shí)，魚(yú)礁體產(chǎn)生的背渦流范圍最廣，隨著開(kāi)口比的增大，背渦流范圍逐漸減小。

(2)在開(kāi)口比不變的情況下，梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體產(chǎn)生的上升流最大高度、水平長(zhǎng)度和豎向最大速度均隨海底坡度的增大而增大，且當(dāng)開(kāi)口比為0.5、海底坡度為5.71°時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的上升流最大高度約是海底坡度為0時(shí)的1.72倍，流場(chǎng)效應(yīng)更佳；而背渦流范圍幾乎不受海底坡度的影響。

(3)當(dāng)開(kāi)口比為0～0.6時(shí)，上升流體積(y)與開(kāi)口比(φ)存在如下關(guān)系：

y= -268.9φ+ 202.0 (R2=0.98)。

(4)當(dāng)開(kāi)口比為0.1、海底坡度為5.71°時(shí)，梯型臺(tái)人工魚(yú)礁體產(chǎn)生的上升流和背渦流范圍較其他工況最廣，流場(chǎng)效應(yīng)最佳。