薛大文,龐聰利,潘 昀
(浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院,浙江 舟山 316022)
隨著生活水平的日益提高,人們對海產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高,由于過度捕撈、海洋生態(tài)環(huán)境惡化、“海洋荒漠化”現(xiàn)象頻發(fā),漁業(yè)資源在不斷衰退,建設(shè)海洋牧場成為解決現(xiàn)實(shí)困境的途徑之一。海洋牧場的建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,包含多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域,其中首要環(huán)節(jié)是進(jìn)行生境修復(fù),而生境建設(shè)主要通過投放人工魚礁實(shí)現(xiàn)。人工魚礁是相對于自然魚礁而言的,經(jīng)過科學(xué)選址、合理規(guī)劃后投放于海底的人工構(gòu)造物,是海洋牧場生境修復(fù)的重要技術(shù)手段之一。布設(shè)人工魚礁后,由于礁體對流體產(chǎn)生阻礙作用,礁體的上部和背部形成上升流和背渦流區(qū)域,這為魚類等海洋生物提供了避敵、索餌、棲息生長的場所,實(shí)現(xiàn)了漁業(yè)資源增殖和生態(tài)效益[1]。Granneman 等[2]通過定量評估南加州海灣人工礁和天然礁,發(fā)現(xiàn)了人工礁在聚集魚類密度和生物數(shù)量方面優(yōu)于天然礁。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和商用軟件的推廣,數(shù)值模擬技術(shù)由于具備成本低、效率高、可解決復(fù)雜問題等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用于人工魚礁領(lǐng)域。
人工魚礁水動(dòng)力特性直接決定其流場效應(yīng)及其穩(wěn)定性。張碩等[3]研究了不同高度的魚礁水動(dòng)力特性,得出上升流效應(yīng)與礁高不呈正相關(guān),但背渦流長度、高度、面積與礁高成正比。于定勇等[4]研究了不同開口比的單體人工魚礁流場,結(jié)果表明上升流和背渦流范圍隨開口比的增大而減小。王佳浩等[5]研究了不同布設(shè)間距下人工魚礁流場,發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi),渦量及流場效應(yīng)受布設(shè)間距的影響較明顯。
除了流場效應(yīng),在穩(wěn)定性方面,張世東[6]通過數(shù)值模擬和水槽實(shí)驗(yàn),對比研究了4 種不同開口大小和迎流角度下的方形人工魚礁受力特征,結(jié)果表明水槽實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬所得阻力系數(shù)誤差較小,驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究人工魚礁水動(dòng)力性能的可行性和準(zhǔn)確性。許柳雄等[7]、關(guān)長濤等[8]、唐衍力等[9]、葉功照等[10]對不同結(jié)構(gòu)、不同雷諾數(shù)和波況、不同迎流角度條件下的人工魚礁受力特征進(jìn)行了深入研究。張碩等[11]通過數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)對比研究了不同形狀開口大小的方形人工魚礁,得到了4 種迎流角度下人工魚礁阻力系數(shù)與迎流角度的關(guān)系,指出迎流角度對礁體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。
總結(jié)上述研究發(fā)現(xiàn),在工魚礁流場效應(yīng)評價(jià)方面,國內(nèi)外學(xué)者主要考慮魚礁的開口比、布設(shè)間矩、礁體高度、礁體頂部有蓋無蓋等因素的影響,但對人工魚礁體流場效應(yīng)隨迎流角度的變化情況研究較少。在人工魚礁的迎流方式方面,國內(nèi)學(xué)者主要研究了方形人工魚礁下迎流面形狀與迎流面角度對魚礁穩(wěn)定性的影響,尚未涉及交叉型魚礁在不同迎流角度下的流態(tài)效應(yīng)。基于此,實(shí)驗(yàn)以舟山海域水文條件為基礎(chǔ),選取3 種來流速度和4 種迎流角度的立方對角面開孔型魚礁,通過數(shù)值模擬的方法,定量研究其水動(dòng)力特性,旨在探究礁體上升流規(guī)模、背渦流規(guī)模、阻力和傾覆力矩等隨迎流角度的變化規(guī)律,以期為實(shí)際海域投放人工魚礁提供理論參考。
根據(jù)流動(dòng)分離和旋渦的演變發(fā)展,假設(shè)人工魚礁附近所在的流場為典型的非定常、黏性不可壓縮流體,因海水溫度變化較小,因此能量方程可以忽略。在三維笛卡爾坐標(biāo)中,其連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均Navier-Stokes 方程:
式中,μ為動(dòng)力黏度;ui(i=1,2,3)分別為x、y、z方向的雷諾平均速度;p為平均壓強(qiáng);代表未知的雷諾應(yīng)力項(xiàng)。
由于計(jì)算條件的有限性,本實(shí)驗(yàn)采用由Launder 和Spalding 提出的RNGk -ε模型,該模型基本形式簡單,精度適中,適用于高雷諾數(shù)模型,且廣泛應(yīng)用于工程流場計(jì)算中[12]。
湍動(dòng)能k方程:
湍流耗散率ε方程:
式中,兩方程的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分別取值為Cl=1.44,C2=1.92,Cμ=0.99,δk=1.0,δε=1.3。
我國東海區(qū)投放的人工魚礁尺寸范圍一般在2~4 m,以3 m×3 m×3 m 正方形礁體居多[13],因此本研究采用了方形礁體的框架,為了擴(kuò)大魚礁的生物附著面積、增強(qiáng)礁體的通透性,在方形框架的基礎(chǔ)上設(shè)置了交叉型導(dǎo)流板并進(jìn)行了開孔設(shè)計(jì)。魚礁模型的邊長為3 m,棱柱寬0.3 m,中間交叉的導(dǎo)流板厚0.1 m,導(dǎo)流板上開有6 個(gè)直徑為0.4 m 的圓孔 (圖1)。數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域尺寸為30 m××12 m×10 m,來流方向從左至右,坐標(biāo)原點(diǎn)置于礁體底面中心,礁體底部緊貼計(jì)算域 (圖2)。對魚礁模型模擬4 種不同迎流方式下的流場,以魚礁底部原點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn),分別為0°、15°、30°和45°。
圖1 人工魚礁模型三維圖(a)及魚礁對角面特征尺寸(b)Fig.1 3D model of artificial reef (a) and diagonal surface and opening size of reef (b)
圖2 計(jì)算區(qū)域Fig.2 Computational domain
舟山海域是我國著名的強(qiáng)潮海域,根據(jù)虞聰達(dá)[14]對舟山漁場的環(huán)境調(diào)查,舟山海域適宜投放魚礁的最大流速為1.6 m/s,平均流速為1.13 m/s,這與許強(qiáng)[15]舟山市海域大潮底層最大流速范圍為0.4~1.6 m/s、平均流速范圍為0.2~0.8 m/s 相一致。從養(yǎng)殖和生態(tài)效應(yīng)角度而言,人工魚礁區(qū)既需要一定的流速以減少自身的污染也應(yīng)避免流速過大損害魚礁設(shè)施,影響魚類增殖生長,綜合考慮理論依據(jù)和舟山海域?qū)嶋H流速,本研究分別選取0.5、1.0 和1.5 m/s 的來流速度作為速度入口邊界條件(velocity inlet),計(jì)算區(qū)域出口邊界設(shè)置為壓力出口(pressure outlet)計(jì)算域的兩側(cè)設(shè)置為對稱邊界(symmetry),礁體及海底為剛性固體,因此與海水接觸的面設(shè)定為壁面邊界條件,并采用無滑移壁面(wall)。
為了驗(yàn)證本研究所采用的數(shù)值方法、湍流模型及相關(guān)參數(shù)設(shè)置模擬人工魚礁流場效應(yīng)的有效性和準(zhǔn)確性,基于張碩等[11,16]所做的六邊開口方形魚礁水槽實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬為驗(yàn)證算例,對比驗(yàn)證不同水流速度條件下礁體阻力及其變化。礁體邊長為20 cm×20 cm×20 cm,壁厚為5 mm,除頂面不作開口處理,其余5 個(gè)面均開有相同的六邊形。本研究選擇開口比為0.25 的六邊開口方形魚礁展開模擬對比分析,模擬所得阻力與張碩等[16]的實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)對比見圖3 與表1。從圖3 可得,模擬結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果在變化趨勢上一致,并且與文獻(xiàn)的數(shù)值及實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合;由表1 可知,本模擬結(jié)果與張碩等[11]的物理實(shí)驗(yàn)的相對誤差值在5.166%~9.903%,與張碩等[16]的數(shù)值實(shí)驗(yàn)相對誤差值在0.739%~7.936%。綜上表明,本研究的數(shù)值模擬可行,所選模型能夠利用Fluent 軟件通過數(shù)值模擬得到較為準(zhǔn)確的流場分布及阻力特征。
表1 礁體阻力對比結(jié)果Tab.1 Comparison result of reef resistance
圖3 礁體阻力的實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較Fig.3 Comparison of experimental and simulated values of reef resistance
數(shù)值模擬計(jì)算中,網(wǎng)格尺寸及分布對模擬的精度及效率有重要影響,因此對網(wǎng)格敏感性的分析可以保證數(shù)值模擬結(jié)果與網(wǎng)格尺寸無關(guān),以此驗(yàn)證模擬的科學(xué)準(zhǔn)確性。本研究以迎流角度為0°,來流速度為1.0 m/s 的工況為例,采用不同的網(wǎng)格尺寸對計(jì)算模型進(jìn)行劃分,最大網(wǎng)格尺寸分別為0.2、0.1 和0.05 m,以礁體所受阻力作為參量進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析。由圖4 可以看出,當(dāng)最大網(wǎng)格尺寸為0.2 m 時(shí),流動(dòng)時(shí)間在前50 s 內(nèi)礁體所受的阻力波動(dòng)較大,而最大網(wǎng)格尺寸為0.1 m 和0.05 m 的波動(dòng)幅度大致相同,隨著流動(dòng)時(shí)間的增加,3 種網(wǎng)格尺寸下礁體所受的阻力都趨于穩(wěn)定,最大網(wǎng)格尺寸為0.2 m 時(shí)阻力值稍大,另2 種網(wǎng)格下阻力值基本接近??紤]節(jié)約計(jì)算資源和保證計(jì)算精度,選取最大網(wǎng)格尺寸為0.1 m 作為后續(xù)計(jì)算網(wǎng)格。
圖4 不同網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果Fig.4 Simulated results with different gird sizes
在瞬態(tài)計(jì)算中,時(shí)間步長的選取影響計(jì)算的收斂性及計(jì)算總時(shí)耗。為兼顧計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂速度,根據(jù)庫朗數(shù)選取時(shí)間步長為0.100、0.005、0.002 和0.001 s 進(jìn)行時(shí)間步長敏感性分析,對比不同時(shí)間步長條件下礁體阻力系數(shù)結(jié)果如表2 所示,可知,隨時(shí)間步長減小,礁體阻力系數(shù)值趨于穩(wěn)定,當(dāng)時(shí)間步長低于0.002 s 時(shí),阻力系數(shù)值基本不變,因此本研究在后續(xù)數(shù)值計(jì)算時(shí)設(shè)置時(shí)間步長為0.002 s。
表2 不同時(shí)間步長模擬結(jié)果Tab.2 Smulation results at different time steps
流場效應(yīng)是表征人工魚礁水動(dòng)力特性的重要方面,而人工魚礁的流場效應(yīng)主要體現(xiàn)在魚礁前方產(chǎn)生的上升流和后方產(chǎn)生的背渦流。因此,本研究以上升流體積和背渦流體積為指標(biāo)來衡量魚礁體的流場規(guī)模。在定義上升流范圍和背渦流范圍時(shí),參考李珺等[17]的取值方法并依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究采用的方法,上升流定義為水流z 方向(即垂直地面方向)速度與來流速度之比大于或等于20%的水域,背渦流定義為水流x 方向上速度分量與來流速度之比絕對值小于70%的區(qū)域?;谏鲜鰯?shù)值方法,選取3 種不同流速的工況,模擬不同迎流角度立方對角面開孔人工魚礁體周圍的水流場。
不同流速條件對魚礁流場效應(yīng)的影響 如圖5 所示為迎流角度為0°時(shí),Z=1.5 m 高度處橫向斷面流速分布。從中可知,對于單體魚礁而言,由于水流的抬升作用,魚礁前方形成了垂向流速較大的區(qū)域,即為上升流區(qū)域;而在礁體的背流面,鈍體繞流影響以及孔狀透水結(jié)構(gòu)形成了流速較小的背渦流區(qū)域。對比可知,不同來流速度下礁體周圍的流場結(jié)構(gòu)基本相似,流動(dòng)受到礁體影響流速減小,在礁體前部抬升并形成繞流,在礁體兩側(cè)流速增加,礁體內(nèi)部交叉隔板及孔洞結(jié)構(gòu)使下游流速減小并形成尾流區(qū)。圖6、圖7 分別為不同流速條件下魚礁上升流體積和背渦流體積隨時(shí)間變化情況,由圖可知,3 種流速下礁體的上升流體積和背渦流體積發(fā)展趨勢基本類似。流動(dòng)初期上升流體積的曲線呈現(xiàn)劇烈振蕩,表明流場處于不穩(wěn)定狀態(tài),隨著時(shí)間增加逐漸趨于穩(wěn)定,曲線保持平緩;對于背渦流體積曲線,在流動(dòng)初期,曲線呈現(xiàn)近線性增長的趨勢,背渦流體積不斷增大,最終趨于平緩,表明流場逐漸穩(wěn)定。結(jié)合以上分析,本研究基于計(jì)算穩(wěn)定后的流場數(shù)據(jù),得到上升流體積Vx和背渦流體積(圖8)。比較3種不同來流速度下的流場規(guī)模,上升流體積和背渦流體積均無較大差距,表明隨來流速度的增大,魚礁的流場規(guī)模并無明顯增加。
圖5 迎流角度為0°,Z=1.5 m 高度橫向斷面上的速度分布Fig.5 Upstream angle is 0°,the velocity distribution on transverse section Z=1.5 m
圖6 不同流速下,魚礁上升流體積變化Fig.6 Variation of upwelling volume with different velocities
圖7 不同流速下,魚礁背渦流體積變化Fig.7 Variation of upwelling volume with different velocities
圖8 不同流速、不同迎流角度下,魚礁流場規(guī)模上升流體積(a)及背渦流體積(b)對比Fig.8 Comparison of upwelling (a) and back eddy volume (b) at different flow velocities and inflow angles
不同迎流角度對魚礁流場效應(yīng)的影響 基于上升流和背渦流定義,利用速度等值面顯示方法可直接刻畫其區(qū)域范圍及體積大小。如圖9 和圖10 所示為不同來流速度條件下,立方對角面開孔魚礁在4 種迎流角度下的上升流區(qū)域和背渦流區(qū)域顯示。可見,隨迎流角度增加,上升流“拖尾”區(qū)域明顯增加,而背渦流形態(tài)無明顯改變,結(jié)合圖11 上升流體積和背渦流體積數(shù)據(jù)分析可知,在相同迎流角度下,流速變化對上升流及背渦流體積影響不大,但隨著迎流角度變化,上升流及背渦流體積變化明顯,上升流體積和背渦流體積隨迎流角度的增加而顯著增大。
圖9 流速為1.0 m/s 時(shí),不同迎流角度下魚礁上升流體積Fig.9 Upwelling volume of the reef at different inflow angles with velocity 1.0 m/s
圖10 流速為1.0 m/s 時(shí),不同迎流角度下魚礁背渦流體積Fig.10 Back eddy volume of the reef at different inflow angles with velocity 1.0 m/s
圖11 迎流角度變化時(shí),魚礁的上升流體積(a)及背渦流體積(b)Fig.11 Upwelling volume (a) and back eddy volume (b)of the reef under the change of the angle of attack
人工魚礁投放后具有良好的穩(wěn)定性有助于魚礁得到較好的生態(tài)效益和流場效應(yīng),其穩(wěn)定性會(huì)直接影響礁體功能的發(fā)揮,為保證人工魚礁建設(shè)能夠取得預(yù)期效果,有必要研究礁體在水流作用下的阻力和力矩。人工魚礁投入海底后,會(huì)受到海流的沖擊和侵?jǐn)_,主要考慮礁體沿水流流動(dòng)方向受到的阻力和使礁體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的傾覆力矩。因此在對魚礁進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),同時(shí)對魚礁的阻力和傾覆力矩進(jìn)行了監(jiān)測。如圖12 所示魚礁所受的作用力變化趨勢基本相同,當(dāng)來流速度逐漸增大時(shí),阻力和傾覆力矩隨之增大;當(dāng)礁體迎流角度增大時(shí),阻力和傾覆力矩也逐漸增大。
圖12 不同迎流角度下礁體阻力(a)和傾覆力矩(b)隨流速變化Fig.12 Variation of resistance (a) and overturning moment (b) acting on the reef under different inflow angles
人工魚礁的流場效應(yīng)是人工魚礁發(fā)揮生態(tài)效益、生境營造的重要手段之一,是評價(jià)人工魚礁性能的主要因素,人工魚礁所形成的上升流和背渦流,促進(jìn)了水體之間的交換,使底層營養(yǎng)物質(zhì)上涌,吸引魚類聚集,從而達(dá)到提高漁獲量、增殖漁業(yè)資源的目的。魚礁投放的不同海域、擺放角度影響魚礁建設(shè)的作用效果,合理選擇投放海域、設(shè)置迎流角度對人工魚礁的優(yōu)化起到重要作用。本研究對一種立方對角面開孔形式的魚礁進(jìn)行了12 組數(shù)值實(shí)驗(yàn),對其產(chǎn)生的流場效應(yīng)進(jìn)行分析,得到不同流速和不同迎流角度下人工魚礁的流場特征規(guī)律。根據(jù)流速和迎流角度與流場效應(yīng)間的相互聯(lián)系,提出以流場效應(yīng)體積優(yōu)先為目標(biāo)的綜合評價(jià)方法。當(dāng)魚礁的迎流角度相同時(shí),隨著流速的增加,上升流體積和背渦流體積沒有明顯增大,說明魚礁在潮流速度大的海域和潮流速度小的海域均可產(chǎn)生相對穩(wěn)定的流場效應(yīng),流場規(guī)模與來流速度相關(guān)性不大,這一研究結(jié)果與唐衍力等[1]、黃遠(yuǎn)東等[18]和蘭孝政等[19]研究結(jié)果相一致。但對于單體魚礁,改變迎流角度卻能導(dǎo)致礁體周圍的流場效應(yīng)有較大變化。對比不同迎流角度下流場可知,在迎流角度為30°~45°時(shí)立方對角面孔魚礁的流場效應(yīng)較好,礁體為45°迎流時(shí)上升流體積和背渦流體積都達(dá)到最大,分析可知此時(shí)礁體內(nèi)部導(dǎo)流板與來流方向垂直,魚礁受到的作用力更大,水體向上抬升作用更強(qiáng),受導(dǎo)流板的阻隔作用,透水率降低,礁體背后形成更大的背渦區(qū)。公丕海等[20]計(jì)算結(jié)果也顯示在相同來流速度下,塔型衍架魚礁45°擺放的緩流區(qū)面積大于90°迎流。以流場規(guī)模為評價(jià)基準(zhǔn),在實(shí)際投放中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注潮流流向,將礁體布設(shè)為45°迎流,可以形成較大體積的上升流區(qū)和背渦流區(qū)域。
當(dāng)人工魚礁投入海中時(shí),礁體產(chǎn)生流場效應(yīng)的同時(shí)還受到的流體阻力作用而發(fā)生平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng),因此在保證魚礁能夠產(chǎn)生流場效應(yīng)的前提下,還應(yīng)確保魚礁能正常發(fā)揮作用,即礁體在水流的作用下不發(fā)生滑移和傾覆。基于此,將上升流體積、背渦流體積、礁體阻力和傾覆力矩作為綜合評價(jià)交叉型魚礁建設(shè)效果評價(jià)的指標(biāo),各指標(biāo)權(quán)重賦值采取主觀賦值方法,其中主觀權(quán)重賦值采取專家打分的形式,即德爾菲法[21]。專家打分主要是通過專家問卷,專家判斷各項(xiàng)因子對魚礁建設(shè)生態(tài)效果的影響程度來打分。影響不顯著貢獻(xiàn)1 分,影響較低貢獻(xiàn)2 分,影響一般貢獻(xiàn)3 分,影響較高貢獻(xiàn)4 分,主要影響因素貢獻(xiàn)5 分。最后用每一項(xiàng)因子得分和比上所有因子總分之和,就能得到每一項(xiàng)因子的主觀權(quán)重wi。依據(jù)專家打分結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)賦予權(quán)重如表3 所示,由表3 可知上升流體積的權(quán)重值為0.35,背渦流體積的權(quán)重值為0.35,阻力的權(quán)重值為0.15,傾覆力矩的權(quán)重值為0.15。
表3 魚礁建設(shè)效果評價(jià)各指標(biāo)權(quán)重賦值Tab.3 Weight value of each index for evaluation of reef construction effect
在確定權(quán)重值 w1,w2,w3,w4的基礎(chǔ)上,計(jì)算魚礁綜合評價(jià)值的公式:
式中,F(xiàn)為綜合評價(jià)值。
通過上述方法得到的在不同流速和迎流角度下的綜合評價(jià)值如表2 所示,綜合評價(jià)值的范圍在(0,1)區(qū)間內(nèi),越接近于1 說明該模式下的魚礁越能達(dá)到理想的建設(shè)效果。從表4 可以看出,來流速度對魚礁的建設(shè)產(chǎn)生重要影響。當(dāng)流速為0.5 m/s 時(shí),綜合評價(jià)值接近于1;流速為1.0 m/s 時(shí)的綜合評價(jià)值整體大于流速為1.5 m/s 時(shí)的綜合評價(jià)值,即投放人工魚礁時(shí)宜選取流速不超過1.0 m/s 的海域,流速較小時(shí)魚礁的穩(wěn)定性較好,且能形成較優(yōu)的流場規(guī)模,這與劉心媚等[22]的研究結(jié)果相一致。魚礁投放的迎流角度是影響魚礁建設(shè)效果的關(guān)鍵因素,在3 種不同的流速下,迎流角度為45°時(shí),其綜合評價(jià)值為最大,30°迎流角的綜合評價(jià)值接近于45°,即投放人工魚礁時(shí)宜將迎流角度控制在30°~45°之間。在實(shí)際投放時(shí),不考慮海底底質(zhì)淤積、風(fēng)浪等條件下,僅對魚礁流場效應(yīng)及礁體穩(wěn)定性而言,投放人工魚礁時(shí)宜選取最大流速不超過1.0 m/s 的海域,且迎流角在30°至45°范圍內(nèi)投放,魚礁的建設(shè)效果最佳。
表4 魚礁建設(shè)效果綜合評價(jià)值Tab.4 Comprehensive evaluation value of reef construction effect
(作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突)