立方體人工魚礁背渦流的三維渦結(jié)構(gòu)

李曉磊，欒曙光，陳勇，張瑞瑾

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧大連116023;2.大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心，遼寧大連116023;3.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連116023)

人工魚礁即人為設(shè)置在水域中的構(gòu)造物，用以改善、修復(fù)和優(yōu)化水生生物棲息環(huán)境，為魚類等生物提供索餌、繁殖、生長、發(fā)育等場所，達(dá)到保護(hù)、增殖資源和提高漁獲質(zhì)量的目的［1］。人工魚礁投放到海底后會產(chǎn)生多種效應(yīng)，如餌料效應(yīng)、流場效應(yīng)等，其中流場效應(yīng)對于魚礁誘集魚類十分關(guān)鍵［1］。投放人工魚礁后的海域，由于礁體的阻流作用，流場重新分布形成新的流場，在魚礁后方形成滯流區(qū)或緩流區(qū)［2-6］，通常在礁體后方形成一個充滿漩渦的背渦流區(qū)域。人工魚礁背渦流區(qū)域水流流速減緩、水流方向改變，很多餌料生物聚集，為魚類提供了良好的索餌場所。日本學(xué)者在魚礁區(qū)現(xiàn)場觀測到很多魚類聚集在人工魚礁背渦流區(qū)域活動，從而證實(shí)了人工魚礁具有誘集魚類的作用和效果［7-9］。

目前，國內(nèi)外對人工魚礁的研究手段主要有物理模型試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等，研究結(jié)果多為二維空間上的定性及定量研究［10-13］。劉同渝等［4］針對梯形、三角錐體、堆疊式魚礁模型進(jìn)行了水槽和煙風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)果顯示，魚礁兩側(cè)為緩流區(qū)，范圍約為魚礁體的1/3;魚礁背部為渦流區(qū)，影響范圍可達(dá)礁體長度的2～3倍，礁體背流面渦流漸遠(yuǎn)漸弱。張碩等［14］研究了6種不同高度長方體魚礁模型的流場效應(yīng)，結(jié)果表明，混凝土模型礁產(chǎn)生的背渦流長度、高度、面積均隨礁高的增加而增加。劉洪生等［15］針對正方體、金字塔及三棱柱人工魚礁模型，通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究不同類型人工魚礁單體和不同組合正方體模型的流場效應(yīng)，結(jié)果表明，魚礁模型背流面產(chǎn)生的背渦流規(guī)模隨來流速度的增大而增大，相同來流速度下空心模型的背渦流規(guī)模較相同形狀的實(shí)心模型小，空心模型背渦流回流速度隨模型空隙率的增大而減小。潘靈芝等［16］對實(shí)心方塊體的研究表明，魚礁產(chǎn)生的背渦流域的規(guī)模隨礁高的增大而增大。但目前尚未見到關(guān)于背渦流三維渦結(jié)構(gòu)方面的研究報道。為此，本研究中作者應(yīng)用CFD軟件對立方體人工魚礁在定常流作用下的三維流場進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，針對立方體人工魚礁背渦流的三維渦結(jié)構(gòu)展開討論，分析了渦旋結(jié)構(gòu)的形狀、幾何尺寸、渦心位置和渦旋的流速分布，旨在揭示背渦流的三維渦結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

經(jīng)過對計(jì)算對象魚礁周圍流體特性的分析，做出如下基本假設(shè)［16-17］:

1)海水為不可壓縮、定常、黏性流體;

2)不考慮流場中的溫度變化;

3)流體為具有自由水面的牛頓流體。

1.2 流體動力學(xué)控制方程

數(shù)值計(jì)算遵循質(zhì)量守恒和動量守恒定律，控制方程是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，不可壓縮流體的控制方程為連續(xù)方程1和動量守恒方程2(即Navier-Stokes方程，簡稱 N-S 方程)［18］:

其中:u、v和w分別為x、y和z方向速度的分量;t為時間;為速度矢量;μ為動力黏度;p為壓力;div為散度;grad為梯度;Su、Sv和Sw為動量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

1.3 湍流控制方程

在關(guān)于湍動能k方程的基礎(chǔ)上，再引入一個關(guān)于湍動耗散率的方程，便形成了k-ε兩個方程模型，稱為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型 (standard k-ε model)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程如下:

1.4 模型及參數(shù)的確定

三維流場數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)M近岸海域水深為15 m，施加定常流速為0.8 m/s，魚礁模型為2 m×2 m×2 m(長×寬×高)的立方體，礁體迎流面與來流方向垂直。數(shù)值模擬的空間坐標(biāo)中心選在礁體底面形心處，礁體位于模擬流場的中間位置，礁體和流場均與礁體水流方向垂直中心面 (以下簡稱垂直中心面，即XOZ面)對稱［15］。

2 背渦流的三維渦結(jié)構(gòu)

渦旋主要是由于水流在運(yùn)動過程中受到外界礁體干擾后水流失去穩(wěn)定而產(chǎn)生的。它是利用水流與魚礁邊界的離解現(xiàn)象，在靠近魚礁固體邊界附近形成回流區(qū)，增強(qiáng)水流各部分之間的相對運(yùn)動，在主流與回流的交界面上形成較大的速度梯度，從而產(chǎn)生渦旋。背渦流三維渦結(jié)構(gòu)由展向渦和流向渦組合而成。

2.1 展向渦

圖1為數(shù)值模擬試驗(yàn)得到的水平截面沿水流方向 (XOY面)的流速矢量圖。從圖1可見，由于受到礁體的阻擋，水流在礁體側(cè)面形成一對附著在其上且呈三角形狀的渦旋區(qū);當(dāng)水流流經(jīng)礁體背面和側(cè)面相交的固體邊界時渦旋脫落，并在礁體下游產(chǎn)生與礁體相接的橢圓渦對，稱其為展向渦［19］。

經(jīng)過對礁體不同高度水平截面上的展向渦進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，各個水平截面上展向渦兩個渦旋的形狀與礁體垂直中心面對稱，并呈現(xiàn)出以水流方向?yàn)殚L軸的橢圓型;以渦心為中心其流速向外呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，渦旋邊界的最大流速約為來流流速的三分之一。其中一個渦旋的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r針，而另一個渦旋的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r針。數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果與Teneda［20］采用流體顯示技術(shù)，在低雷諾數(shù)時圓柱繞流產(chǎn)生的圓柱尾渦 (雙渦)的結(jié)果相吻合，Teneda的試驗(yàn)結(jié)論目前仍是數(shù)值模擬工作者驗(yàn)證算法準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)之一。圖2為不同水平截面(XOY)沿水流方向的流速矢量圖，由于水流受到底摩阻的作用，在流場底面上流速近似為零，在高度約為0.1 H的水平截面上，展向渦兩個渦旋渦心間的距離約為礁寬B的1.27倍;渦心距離礁體背流面的距離約為礁寬B的0.91倍;渦心處展向渦寬度約為礁寬B的1.83倍;展向渦長度約為礁長L的2.63倍，均出現(xiàn)最大值 (圖3)。隨著水平截面高度 (Z向)的增加，渦心間距、渦心距礁體背流面的距離逐漸減小，但變化比較平緩;渦心處展向渦寬度和長度也呈逐漸減小趨勢。即隨著水平截面高度的增加，兩個渦旋逐漸向礁體背流面靠近，且渦旋的幾何尺寸逐漸減小，呈金字塔形變化趨勢，但始終呈橢圓形的對稱渦對。當(dāng)水平截面高度達(dá)到0.7 H時，展向渦的渦旋消失，即展向渦高度約為礁高H的0.7倍。展向渦流速的分布為從下到上由外向內(nèi)逐漸減小，渦心處流速趨近于零。上述三維渦結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與試件具有相同的比例，并與Tecplot軟件給出的結(jié)果一致。

圖1 展向渦水平截面 (XOY)沿水流方向的流速矢量圖Fig.1 Flow velocity vector diagram along flow direction of streamwise vortex in horizontal section(XOY)

圖2 不同水平截面 (XOY)沿水流方向的流速矢量圖Fig.2 Flow velocity vector diagram along flow direction in diffent horizontal sections(XOY)

2.2 流向渦

圖4為數(shù)值模擬試驗(yàn)得到的礁體垂直中心面(XOZ)的流速矢量圖。由圖4可見，由于受到礁體的阻擋，流經(jīng)礁體上表面的水體在其上形成三角形狀的渦旋區(qū)，當(dāng)水流流經(jīng)礁體上表面與背流面相交的固體邊界時渦旋脫落，并形成一個外輪廓酷似直角三角形、以平行于直角三角形斜邊且過渦心的直線為長軸的橢圓渦旋，稱其為流向渦［19］。

對礁體不同垂直平面 (XOZ)流向渦進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)在礁體兩側(cè)距垂直中心面相同距離的垂直平面上，流向渦的形狀關(guān)于礁體垂直中心面對稱。流向渦在礁體垂直平面上呈現(xiàn)出外輪廓酷似直角三角形、以平行于斜邊且過渦心的直線為長軸的橢圓形渦旋。

圖5為不同垂直截面 (XOZ)的流速矢量圖，在礁體垂直中心面，即Y=0截面上，渦心高度約為礁高H的0.69倍;渦心距礁體背流面的距離約為礁寬B的0.51倍;渦心處流向渦高度約為礁高H的1.14倍;流向渦長度約為礁長L的2.42倍，均出現(xiàn)最大值。在離開垂直中心面的各個垂直截面上，渦心高度、渦心處流向渦高度及流向渦長度均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢;而渦心距礁體背流面的距離有逐漸增大的趨勢 (圖6)。流向渦在垂直中心面上產(chǎn)生的渦旋幾何尺寸最大;隨著遠(yuǎn)離礁體垂直中心面，流向渦的幾何尺寸逐漸減小，在Y＞0.6B的垂直截面上流向渦消失。流向渦寬度約為礁寬B的1.2倍。流向渦的流速分布為由外向內(nèi)逐漸減小，渦心處流速趨近于零。上述三維渦結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與試件具有相同的比例，并與Tecplot軟件給出的結(jié)果一致。

3 分析

將展向渦和流向渦與背渦流流場進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn):展向渦寬度大于流向渦寬度，展向渦寬度與背渦流流場寬度近似相等，即展向渦的寬度決定背渦流流場寬度;流向渦高度大于展向渦高度，流向渦渦心位置處的渦流高度與背渦流的高度近似相等，即流向渦的高度決定背渦流流場高度;展向渦和流向渦長度近似相等，并且與背渦流的長度近似相等，即展向渦和流向渦長度決定背渦流流長的長度。展向渦中各點(diǎn)的流速是背渦流流速矢量在水平方向的投影，流向渦中各點(diǎn)的流速是背渦流相應(yīng)點(diǎn)流速矢量在垂直截面的投影，其絕對值均小于背渦流相應(yīng)點(diǎn)水流速度的絕對值。

本研究數(shù)值模擬試驗(yàn)得出的立方體人工魚礁流向渦高度約為礁高H的1.14倍這一結(jié)論，與劉洪生等［15］得出的背渦流高度為礁高的1.06～1.75倍的結(jié)論相吻合。展向渦長度為礁長L的2.63倍，流向渦長度約為礁長L的2.42倍，與劉洪生等［15］得出的背渦流長度為礁長的2.02～3.73倍相吻合，同時也與劉同渝等［4］得出的背渦流長度為礁長的2～3倍相吻合。展向渦寬度約為礁寬B的1.83倍，因此，背渦流寬度也約為礁寬B的1.83倍。

4 結(jié)論

黑木敏郎等［7］、張碩等［14］、劉洪生等［15］、潘靈芝等［16］、付東偉等［21］通過物理模型試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，得到的關(guān)于背渦流的研究成果僅局限于流域規(guī)模，對其長度、高度及礁體背渦流的面積進(jìn)行定量描述。本研究中以立方體人工魚礁為例，在三維流場數(shù)值模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，揭示了背渦流流場的三維渦結(jié)構(gòu)，對不同礁高水平面上展向渦和不同垂直面上流向渦的形狀、位置、幾何尺寸及流速分布展開研究，為讀者呈現(xiàn)了清晰的背渦流三維渦結(jié)構(gòu)，得到如下結(jié)論:

1)展向渦和流向渦構(gòu)成了立方體人工魚礁背渦流的三維渦結(jié)構(gòu)。

2)展向渦在水平截面上呈現(xiàn)一對以水流方向?yàn)殚L軸的橢圓型渦旋;在流場底面上流速近似為零;在0.1倍礁高的水平截面上渦漩幾何尺寸達(dá)到最大值，隨著水平截面高度 (Z向)的增加，渦漩的幾何尺寸逐漸減小，渦旋逐漸向礁體背流面靠近，但始終呈現(xiàn)橢圓形的渦對;在0.7倍礁高的水平面上展向渦消失。展向渦流速的分布從下到上，由外向內(nèi)逐漸減小，渦心處流速趨近于零。

3)流向渦在礁體垂直平面上呈現(xiàn)出外輪廓酷似直角三角形、以平行于斜邊且過渦心的直線為長軸的橢圓形渦旋。在礁體垂直中心面上流向渦的幾何尺寸達(dá)到最大值，遠(yuǎn)離礁體垂直中心面時流向渦的幾何尺寸逐漸減小，在距離礁體垂直中心面約0.6倍礁寬處，流向渦渦旋消失。流向渦的流速由外向內(nèi)逐漸減小，渦心處流速趨近于零。

4)展向渦的寬度決定背渦流流場寬度，流向渦高度決定背渦流流場高度，展向渦和流向渦長度近似相等，并決定背渦流流場的長度。展向渦和流向渦在各點(diǎn)的流速矢量均小于背渦流相應(yīng)點(diǎn)水流速度的絕對值。

圖3 展向渦在不同水平截面 (XOY)上的幾何尺寸變化Fig.3 Geometry size of streamwise vortex in different horizontal sections(XOY)

圖4 流向渦垂直中心面 (XOZ)的流速矢量圖Fig.4 Flow velocity vector diagram along flow direction of crosswise vortex in vertical central plane(XOZ)

圖5 不同垂直截面 (XOZ)的流速矢量圖Fig.5 Flow velocity vector diagram along flow direction in diffent vertical planes(XOZ)

圖6 流向渦在不同垂直截面 (XOZ)上的幾何尺寸變化Fig.6 Geometry size of crosswise vortex in different vertical central planes(XOZ)

［1］王波，武建平，高峻，等.關(guān)于青島建設(shè)人工魚礁改善近海生態(tài)和漁業(yè)環(huán)境的探討［J］.海岸工程，2004，23(4):66-73.

［2］陳勇，于長清，張國勝，等.人工魚礁的環(huán)境功能與集魚效果［J］.大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報，2002，17(1):65-69.

［3］劉同渝，陳勤兒，黃汝堪，等.魚礁模型波浪水槽試驗(yàn)［J］.海洋漁業(yè)，1987(1):9-12.

［4］劉同渝.人工魚礁的流態(tài)效應(yīng)［J］.水產(chǎn)科技，2003(6):43-44.

［5］斯廣杰，陳丕茂，杜飛雁，等.深圳楊梅坑人工魚礁區(qū)投礁前后大型底棲動物種類組成的變化［J］.大連海洋大學(xué)學(xué)報，2010，25(3):243-247.

［6］盧璐，張碩，趙裕青，等.海州灣人工魚礁海域沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險的分析［J］.大連海洋大學(xué)學(xué)報，2011，26(2):126-132.

［7］黑木敏郎，佐藤修，尾崎晃.焦礁樽造物理學(xué)的研究Ⅰ［M］.函館:北海道水產(chǎn)部，1964:1-19.

［8］影山芳郎，大阪英雄，山田英巳，等.水槽実験 による 多孔立方體魚礁 モデル周り可視化［J］.水産土木，1980，17(1):1-10.

［9］中村充.流環(huán)境から人工礁漁場［J］.水産土木，1979，15(2):5-12.

［10］張懷慧，孫龍.利用人工魚礁工程增殖海洋水產(chǎn)資源的研究［J］.資源科學(xué)，2001，23(5):6-10.

［11］吳靜.人工魚礁集魚效果的初步研究［D］.上海:上海水產(chǎn)大學(xué)，2005.

［12］Santos M，Monteiroc C.The artificial reef system(south Portugal):Fish assemblages and fishing yield［J］.Fisheries Research，1997，30(1-2):33-41.

［13］William S J R.Artificial reef evaluation［M］.USA:CRC Press，2002:83-86.

［14］張碩，孫滿昌，陳勇.不同高度混凝土模型礁背渦流特性的定量研究［J］.大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報，2008，23(4):278-282.

［15］劉洪生，馬翔，章守宇，等.人工魚礁流場效應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)［J］.水產(chǎn)學(xué)報，2009，33(2):229-236.

［16］潘靈芝，林軍，章守宇.鉛直二維定長流中人工魚礁流場效應(yīng)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)［J］.上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報，2005，14(4):406-412.

［17］金泰木，張明，李連奎.CFD在客車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.鐵道車輛，2003，41(3):20-22.

［18］王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［19］Williamson C H K.The natural and forced formation of spot-like dislocations in the transition of a wake［J］.Fluid Mech，1992，243:393-441.

［20］Taneda S.Experimental investigation of the wakes behind cylinder and Plates at low Reynolds numbers［J］.Phys Soc Jpn，1956，11:302-306.

［21］付東偉，欒曙光，張瑞瑾，等.人工魚礁開口比和迎流面形狀對流場效應(yīng)影響的雙因素方差分析［J］.大連海洋大學(xué)學(xué)報，2012，27(3):274-278.