人工魚礁周圍流場三維數(shù)值模擬及通透系數(shù)研究.pdf

1、人工魚礁是人為設(shè)置在海中的構(gòu)造物，可為魚類等海洋生物的棲息、生長、繁育提供安全場所，營造適宜的生長環(huán)境。人工魚礁的流態(tài)效應(yīng)是其生態(tài)效應(yīng)研究的基礎(chǔ)?？紤]人工魚礁投放海中以后會(huì)使其周圍的流場發(fā)生一定的變化，尤其是魚礁所形成的上升流和背渦流是研究流場變化的主要對(duì)象。因此，設(shè)法模擬出這些流場，通過研究魚礁投放后產(chǎn)生的上升流、背渦流規(guī)模大小等等，能夠?qū)︳~礁進(jìn)行優(yōu)化建設(shè)，更好地聚集魚群，改善海洋生態(tài)環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益。
　　 首先，論文利用

2、相同尺寸的水槽實(shí)驗(yàn)與其進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證該數(shù)值計(jì)算方法的可行性。數(shù)值計(jì)算采用LES（大渦模擬）紊流模式，對(duì)定常來流速度下米字型人工魚礁單體附近流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬。水槽實(shí)驗(yàn)則采用在靜水槽中拖動(dòng)礁體產(chǎn)生相對(duì)的來流速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在數(shù)值模擬與水槽實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)置了0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s以及1.2m/s六種不同來流速度，并比較礁體附近17個(gè)測(cè)點(diǎn)上三個(gè)方向流速變化的情況。結(jié)果表明，數(shù)值模擬中約80％的測(cè)點(diǎn)速度

3、與水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。而差異較大的數(shù)據(jù)集中在礁體上方出口面附近的測(cè)點(diǎn)。該處流態(tài)變化強(qiáng)烈，從而可能導(dǎo)致水槽實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差較大。所以，根據(jù)整體的比較結(jié)果來看，該三維數(shù)值模擬方法是具有一定的準(zhǔn)確性和可行性的，今后可采用該方法模擬人工魚礁的流場，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
　　 在不同的水域中，應(yīng)該根據(jù)水域的深度和流速，投放不同大小的魚礁，才能使魚礁產(chǎn)生最佳的效果。該章節(jié)分別作了以下比較：(1)比較來流速度0.4m/s、0.6m/s、

4、0.8m/s、1.0m/s、1.2m/s下單礁流態(tài)的變化；(2)比較不同水深10m、15m、20m、25m、30m水域中的單礁流態(tài)變化。通過本次試驗(yàn)的一系列比較結(jié)果表明，能夠得出在25m水深條件下，投放3m礁高的實(shí)心單體和回字型人工魚礁的效果是最顯著的。而水深一定時(shí)，對(duì)于回字型的透水礁體在來流速度為0.6m/s時(shí)能起到最佳效果，對(duì)于實(shí)心單礁則在0.8m/s來流速度下能達(dá)到最佳效果。這一結(jié)論可以為優(yōu)化魚礁建設(shè)提供重要的理論依據(jù)，最大程度地

5、實(shí)現(xiàn)流場效應(yīng)。
　　 由于實(shí)際投放的礁體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量眾多，在進(jìn)行整體模擬時(shí)需要處理網(wǎng)格劃分精細(xì)度和計(jì)算量大小之間的平衡。因此論文第三部分引入通透系數(shù)這一概念，設(shè)計(jì)x、y、z三個(gè)方向不同通透方式的單個(gè)正方體人工魚礁，根據(jù)單礁模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論設(shè)計(jì)最佳礁高水深比的模型，對(duì)定常來流速度下人工魚礁單體附近流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，建立反映礁體結(jié)構(gòu)的通透系數(shù)與礁體產(chǎn)生流場變化的關(guān)系，通過通透系數(shù)將復(fù)雜礁體簡化成能產(chǎn)生同樣效果的簡單礁體，使得

6、在大規(guī)模模擬時(shí)網(wǎng)格劃分更為簡單。結(jié)果顯示:上升流和背渦流的規(guī)模隨通透系數(shù)增加而減小;來流方向上，礁體迎流面、背流面的通透系數(shù)變化對(duì)上升流和背渦流規(guī)模影響較為顯著，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化則作用不明顯，礁體上方與側(cè)方的開口對(duì)上升流和背渦流的影響也不顯著。迎流面通透系數(shù)變化是背渦流規(guī)模影響的主要因素。方形單礁緩流區(qū)體積隨通透系數(shù)Tin增大呈線性減小，關(guān)系為Vx=-1241.8Tin+1206。通過該研究可在數(shù)值計(jì)算中通過通透系數(shù)與流場變化的關(guān)系，實(shí)

7、現(xiàn)將礁體簡化，有效地提高計(jì)算效率；為將小范圍模擬擴(kuò)大到群礁、甚至大海域的模擬，定量評(píng)估人工魚礁的生態(tài)效應(yīng)打下基礎(chǔ)。
　　 論文最后一部分初步探討了在九礁排列的模型中，礁體之間的距離變化對(duì)其產(chǎn)生的緩流區(qū)和上升流區(qū)的影響。選取3m、6m以及9m的礁體間距建立模型進(jìn)行比較，結(jié)果表明在3m間距的九礁排列組合能形成最大規(guī)模的緩流區(qū)流域，而9m間距的九礁排列組合則能形成規(guī)模最大的上升流區(qū)流域。通過本研究可見我們能夠通過變化礁體之間的排列組合