圓柱鏤空型人工魚礁波流水動力特性數(shù)值模擬

蔣 為趙云鵬畢春偉崔 勇李 嬌

（1大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島266071）

圓柱鏤空型人工魚礁波流水動力特性數(shù)值模擬

蔣 為1，趙云鵬1，畢春偉1，崔 勇2，李 嬌2

（1大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島266071）

研究人工魚礁在波流作用下的水動力特性，對于人工魚礁的設計具有重要的意義?；谟邢摅w積法，采用邊界造波，利用自由表面捕捉法（VOF）捕捉自由水面，建立了可以分別模擬純波、均勻流以及波流共同作用下人工魚礁水動力特性的多功能三維數(shù)值波流水槽。基于該數(shù)值模型對不同波流工況作用下圓柱型鏤空人工魚礁水動力特性進行數(shù)值模擬，并與物理模型試驗結果進行比較。結果顯示，人工魚礁數(shù)值模擬受力與模型試驗結果吻合良好，人工魚礁所受的波流力最大值隨著波高、周期和水流流速的增大而增大；人工魚礁處于波流場波峰正下方時，背渦流的面積隨著水流流速的增大而增大，隨著波高、周期增大而減小。對單獨均勻流作用、單獨波浪作用和波流聯(lián)合作用下人工魚礁的水動力特性對比研究表明，人工魚礁所受的最大波流力比最大波浪力、水流力都大，波流聯(lián)合作用下的流場效應最顯著，在礁體的后部形成了較大規(guī)模的漩渦結構。

人工魚礁；波流力；背渦流；三維數(shù)值波流水槽

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，人們的海洋環(huán)境保護意識不斷增強，近海漁業(yè)資源的修復和保護日益成為關注的焦點。在漁業(yè)資源保護和增殖工作中，建設人工魚礁是許多國家用來改善海洋生態(tài)環(huán)境的一種重要措施［1］。近30年來，我國對人工魚礁進行了大量的研究和建設，人工魚礁對我國海洋生態(tài)環(huán)境的修復和漁業(yè)資源的增殖發(fā)揮了很好的功效［2－4］。

目前，國內外學者普遍用水槽［5－8］或風洞［9］對人工魚礁進行模型試驗，也有使用粒子圖像測速技術（PIV）［10－11］和計算機數(shù)值模擬技術［12－14］，雖然對有關人工魚礁水動力特性進行了研究并取得了很多成果，但這些研究都集中在單獨水流作用或單獨波浪作用下人工魚礁的水動力特性，對于波流共同作用下的人工魚礁水動力特性研究較少。在復雜的海洋環(huán)境中，波浪和水流通常是同時存在的。人工魚礁在海底會受到波浪和水流的共同作用，研究波流共同作用下的人工魚礁水動力特性更符合實際情況，可為人工魚礁的設計，評估人工魚礁產(chǎn)生的生態(tài)效應提供更準確的理論依據(jù)。

本研究基于有限體積法，采用自由表面捕捉法（VOF）捕捉自由水面，利用Fluent軟件建立可以分別模擬純波、均勻流以及波流共同作用下人工魚礁水動力特性的三維數(shù)值波流水槽，并用實驗對數(shù)值模型進行驗證。

1 材料與方法

1.1 多功能數(shù)值波流水槽建立

1.1.1 控制方程

假定數(shù)值模型中的流體是不可壓縮流體，其控制方程為粘性不可壓縮的 Navier－Stokes方程［15］：

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：u、v、w分別為x、y、z方向的分速度，m／s；v為流體的運動學黏性系數(shù)，m2／s；t為時間，s；ρ為流體的密度，kg／m3；p為壓強，Pa；fx、fy、fz為x、y、z方向的單位質量力，m／s2。

1.1.2 二階Stokes波、均勻流及波流聯(lián)合的模擬

水槽的左端采用速度入口邊界條件，頂部設置為壓力入口邊界條件，右端采用壓力出口邊界條件，兩側及水池底部設置為固壁邊界條件。

邊界造波法是指在波浪的入口邊界處給定波面高度和波浪速度的表達式，從而生成波浪的一種數(shù)值方法［16］。本研究采用邊界造波法。在速度入口邊界上，根據(jù)相關文獻［18］中的波面方程（式5），利用自定義函數(shù)給定波面高度；根據(jù)二階Stokes波浪的速度函數(shù)（式6），利用自定義函數(shù)給定入口邊界處波浪速度的表達式。

在壓力出口邊界上根據(jù)水位高度用自定義函數(shù)對出口壓力進行設置。圖1是數(shù)值波流水槽的設置圖。

圖1 數(shù)值波流水槽的設置Fig.1 Setting of numerical wave－current flume

波流共同作用下的流速場水平流速值可用波浪與水流二者水平流速值相疊加而得［17］。因此，可以將水槽入口處作為波浪和水流相互作用的起始位置，給出波浪和水流相疊加的邊界條件，即將上述邊界造波中的速度函數(shù)式（6）改成式（7），其他條件不變，即可達到造波流的目的。

此外，邊界造波法還可以模擬均勻流場，原理同上，通過在速度入口邊界上給定水面高度和水流流速，即可使數(shù)值水槽實現(xiàn)均勻造流。

式中：H為波高，m；k為波數(shù)，m－1；ω為波浪圓頻率，rad／s；t為時間，s；d為水深，m；u0為水流流速，m／s；θ＝kx－ωt。

1.1.3 數(shù)值水槽的網(wǎng)格劃分

數(shù)值水槽的尺寸為50 m×0.5 m×0.7 m（長×寬×高），水深0.5 m。數(shù)值水槽取不同尺度的網(wǎng)格進行多次網(wǎng)格相關性驗證，最后在保證結果準確和縮短計算時間的前提下，將數(shù)值水槽的網(wǎng)格步長設為x方向0.04 m，y方向0.02 m（波面附近0.01 m），z方向0.04 m。圖2是數(shù)值水槽的網(wǎng)格劃分。

圖2 數(shù)值水槽網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of the numerical wave－current tank

1.1.4 消波理論

此數(shù)值波流水槽沒有設置消波區(qū)，而是通過將數(shù)值水槽沿波浪傳播方向的長度設置足夠長，讓波浪在計算時間內無法傳到水槽的右邊界來達到消除波浪反射的目的。根據(jù)所需模擬工況參數(shù)計算得到數(shù)值水槽長40 m就可滿足所有工況消除波浪反射的目的，此處水槽長度設置為50 m。

1.2 物理模型試驗

試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的PIV水槽（長24 m、寬0.45 m、深0.6 m）中進行，試驗水深0.5 m。該水槽左端為造波機，底部為造流系統(tǒng)，實驗過程中還用到由測力傳感器、浪高儀和計算機組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖3）。

圖3 實驗布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental arrangement

人工魚礁模型（有機玻璃材料制成）是按照實際投放魚礁的尺寸取模型比例1∶20得到（圖4），模型高19.25 cm，外徑25.75 cm，內徑22.75 cm，魚礁上有六邊形和長方形的孔，呈無規(guī)律排列。為了防止人工魚礁與水槽底面摩擦而影響試驗結果，兩者間留有1.0 cm空隙。

圖4 人工魚礁模型及尺寸Fig.4 Size diagram of artificial reef model

1.3 波流聯(lián)合作用波面歷時曲線的理論值

波流聯(lián)合作用波面歷時曲線的理論值，是將計算得到的波流場的波長L1和波高H1代入式（5）得到。根據(jù)文獻［18－19］中計算波流共同作用波長L1和波高H1的公式：

式中：H1為波流場的波高，m；L1為波流場的波長，m；k1為波流場波數(shù)，m－1；H為純波波高，m；h為水深，m；L為純波波長，m；k為純波波數(shù)，m－1；c為純波波速，m／s；u0為水流流速，m／s。

2 結果

2.1 數(shù)值波流水槽模擬與理論驗證

取表1中的算例，驗證三維數(shù)值波流水槽造波和造波流效果的準確性。在數(shù)值波流水槽x＝4 m處設置浪高儀實時監(jiān)測波面高度。當數(shù)值波流水槽造純波時，監(jiān)測的波面歷時曲線如圖5a1、圖5a2所示，顯然，模擬的波面歷時曲線與理論值吻合良好；當數(shù)值波流水槽造波流時，監(jiān)測的波面歷時曲線如圖5b1、圖5b2所示，模擬的波面歷時曲線與理論值也吻合良好。說明此三維數(shù)值波流水槽模擬波浪和波流是有效可行的。

表1 水槽驗證波浪和水流參數(shù)Tab.1 Wave and current parameters of flume

2.2 不同波流工況作用下人工魚礁的數(shù)值模擬及實驗驗證

將人工魚礁設置在距離造波邊界4 m處。由于人工魚礁是鏤空的，形狀很不規(guī)則，需要分區(qū)域劃分網(wǎng)格（圖6）。為了更加準確地模擬人工魚礁的受力及其周圍的流場，需要對魚礁周圍的網(wǎng)格進行更細的網(wǎng)格劃分。

圖5 波面曲線模擬值與理論值對比Fig.5 Comparison of simulated value and theoretical value of wave surface

圖6 人工魚礁模型周圍的網(wǎng)格劃分Fig.6 Distribution of mesh around the artificial reef model

用上述數(shù)值波流水槽對表2中的7種工況進行數(shù)值模擬，模擬圓柱型魚礁分別在單獨水流、單獨波及波流聯(lián)合作用下的受力情況。以B1工況為例，數(shù)值模擬得到的水流力、波浪力及波流力的歷時曲線（圖7）。表3是模擬得到的7種工況下人工魚礁水流力、波浪力及波流力的最大值。

表2 7種波流工況的波浪和水流參數(shù)Tab.2 Wave and current parameters of seven kinds of wave－current conditions

圖7 人工魚礁受力模擬值Fig.7 Calculated results of the force of artificial reef

表3 7種波流工況下人工魚礁數(shù)值模擬的最大受力Tab.3 Simulated value of the maximum force of artificial reefs N

由圖7可知，魚礁受到的波浪力及波流力呈周期性變化，其中波浪力的受力曲線關于F＝0軸對稱，這與人工魚礁在波浪作用下的受力規(guī)律相符。人工魚礁受到的水流力穩(wěn)定后是一條等值直線，這與人工魚礁在水流作用下受力為定值的規(guī)律相符。從圖7及表3可知，人工魚礁所受的最大波流力比最大波浪力、水流力要大很多，甚至比最大波浪力與水流力的疊加值都要大約5%～23.5%。

圖8為在7種不同波流工況下人工魚礁受到的最大波流力模擬值與實驗值的對比。

圖8 最大波流力模擬值與實驗值對比Fig.8 Simulated value and experimental value of the maximum wave－current force

物理模型試驗所得最大波流力值均略大于數(shù)值模擬結果，相對誤差為9%～21%。物理模型試驗時，為了防止魚礁與底面摩擦而影響實驗結果，水槽底面與魚礁模型之間留有1.0 cm的空隙，而進行數(shù)值模擬時，魚礁模型是直接布置在水槽底部的；同時，實驗操作過程中的一些實驗誤差，導致實驗得到的最大波流力值比數(shù)值模擬結果略大。模擬結果與實驗結果所反映的魚礁所受最大波流力的大小，與波浪和水流參數(shù)變化的規(guī)律基本吻合，驗證了此數(shù)值模型模擬人工魚礁水動力特性的可行性。從圖8可以看出，人工魚礁所受的波流力最大值與水流流速、波高以及周期呈正相關，并同步增加。

2.3 單體圓柱型人工魚礁在波、流和波流聯(lián)合作用下的流場

在數(shù)值模擬計算的結果中，取工況B1的計算數(shù)據(jù)，對在均勻流、純波和波流分別作用下圓柱型人工魚礁周圍的流場進行分析。圖9為人工魚礁中軸面的流場流線圖。由于在波流和純波作用下人工魚礁周圍的流場呈周期性變化，所以取其一個周期內的流場進行分析。圖9a1為均勻流作用下人工魚礁周圍流場的流線圖，水流穿過礁體后在魚礁后面形成了一段狹長的緩流區(qū)；圖9a2為純波作用下一個周期內人工魚礁周圍流場的流線圖，可以看到流線穿過魚礁后并沒有發(fā)生明顯變化，即純波作用下人工魚礁對波浪場沒有產(chǎn)生明顯影響；圖9a3為波流共同作用下一個周期內人工魚礁周圍流場的流線圖，魚礁后面出現(xiàn)較強的回流，并形成較大規(guī)模的漩渦結構，這種流場效應對人工魚礁的生態(tài)效應具有積極貢獻。綜上，在波流作用下，人工魚礁產(chǎn)生的流場效應比單獨水流和單獨波作用產(chǎn)生的流場效應要顯著，在純波作用下，人工魚礁沒有產(chǎn)生明顯的流場效應。

2.4 不同波流工況下人工魚礁波流場數(shù)值結果分析

由于波流場隨時間不斷變化，為了對7種波流工況下人工魚礁波流場數(shù)值結果進行分析，需要對人工魚礁在每種工況處于相同波流場的條件下進行對比分析，此處取每種工況人工魚礁處于波流場波峰正下方時流場數(shù)值結果。以B2工況為例（圖10）。

圖10是B2工況下人工魚礁中軸面的流場速度云圖。由圖可以看到，礁體后部都形成了較大規(guī)模的背渦流，于是對每種工況的背渦流面積（Se）進行統(tǒng)計。Se是每種工況未放魚礁時礁區(qū)域速度云圖與圖10中對應工況速度云圖進行對比后產(chǎn)生影響區(qū)域的面積。統(tǒng)計結果如圖11所示。

圖11是人工魚礁在7種波流工況下背渦流面積的情況。從中可以看出，圓柱型人工魚礁在波流作用下，Se隨著水流流速的增大而增大，隨著波高、周期的增大而減小。

3 討論

利用Fluent軟件，以速度邊界造波法建立數(shù)值波流水槽，對單獨均勻水流、單獨波浪作用以及波流聯(lián)合作用下的圓柱鏤空型人工魚礁的水動力特性進行了研究，并用實驗驗證了數(shù)值模型的可行性。結果顯示，在波浪作用下，人工魚礁周圍的流場速度矢量在一個周期內的正負交替變化與波浪力正負變化規(guī)律相吻合，這與劉彥等［20］、趙云鵬等［11］的研究結果相一致。由表3可知，在單獨均勻流作用下，人工魚礁受到的水流力，隨水流流速增大而增大，這與劉彥等［20］、鄭延璇等［21］的研究結果相一致，說明數(shù)值模型模擬人工魚礁水動力特性的準確性和可靠性。

本研究結果表明，在波流聯(lián)合作用下，人工魚礁的最大受力比單獨波浪作用的最大受力和單獨水流作用的受力大，甚至比兩者的疊加還要大。在波流作用下，人工魚礁產(chǎn)生的流場效應也比單獨波浪和單獨水流作用的都要顯著。由此可知，只研究在單獨水流作用或單獨波浪作用下人工魚礁的水動力特性并不能反映人工魚礁受波流共同作用的實際情況?？梢?，在波流共同作用下，人工魚礁的受力和流場效應等水動力特性研究對于魚礁的設計和建設具有重要意義。在不同波流工況下，圓柱型鏤空人工魚礁在波流作用下的最大波流力與水流流速、波高以及周期呈正相關。當人工魚礁處于波流場波峰正下方時，人工魚礁在波流作用下背渦流的面積隨著水流流速的增大而增大，隨著波高、周期增大而減小。人工魚礁的受力及產(chǎn)生的流場效應關系到人工魚礁的結構設計和產(chǎn)生的生態(tài)效應。

圖9 魚礁周圍流場的流線圖Fig.9 Streamline diagram of flow field around reefs

圖10 人工魚礁區(qū)域速度云圖Fig.10 Contour diagram of the velocity around reefs

圖11 不同工況下人工魚礁背渦流面積Fig.11 The wake vortex area of artificial reefs under different conditions

4 結論

通過建立數(shù)值波流水槽，分別模擬純波、均勻流以及波流共同作用下的人工魚礁水動力特性。研究結果表明，人工魚礁所受的最大波流力比最大波浪力和水流力大，波流聯(lián)合作用下的流場效應最顯著，在礁體的后部形成了較大規(guī)模的漩渦結構。在不同波流工況下，人工魚礁所受的波流力最大值隨著波高、周期和水流流速的增大而增大；人工魚礁處于波流場波峰正下方時，背渦流的面積隨著水流流速的增大而增大，隨著波高、周期增大而減小。 □

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Numerical simulation of hydrodynamic characteristics of cylindrical hollow artificial reef in wave－current

JIANG Wei1，ZHAO Yunpeng1，BI Chunwei1，CUI Yong2，LI Jiao2
（1 State Key Lab of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2 Yellow Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Qingdao 266071，China）

Researching the hydrodynamic characteristics of artificial reef in wave－current is very important for the design of artificial reef.Based on the finite volume method，adopting the velocity border as a wave generator，a multifunctional 3D－numerical wave－current tank was established by the volume of fluid（VOF）method，which can simulate the hydrodynamic characteristics of the artificial reef under the action of wave，current and wave－current，respectively.Based on this numerical model，the hydrodynamic characteristics of the cylindrical hollow artificial reef under different actions of wave－current was investigated.Compared the numerical results with experimental results，the accuracy of the simulation of forces was verified.The results show that the maximum of the wave－current force of artificial reefs increases with the increase of wave height，period and flow velocity.The simulation results also show that when the artificial reef is directly below the crest of the wave field，the area of wake vortex of the artificial reef increases with the increase of flow velocity，but decreases with the increase of wave height and period.By comparing the hydrodynamic characteristics of artificial reefs under the action of single homogeneous flow，single wave and wave－current，the maximum wave－current force of the artificial reef is greater than the maximum wave force and the water flow force.The simulation results also show that the flow field effect under wave－current interaction is the largest，and a large－scale vortex structure is formed at the rear of the reef.

artificial reef；wave－current force；wake vortex；3D－numerical wave－current tank

S953.1

A

1007－9580（2017）02－030－08

10.3969／j.issn.1007?9580.2017.02.006

2017－01－27

國家自然科學基金（51239002，51579037）；中國博士后基金（2014M560211，2015T80254）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目（2016HY－ZD0103）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（DUT16YQ105）

蔣為（1990—），男，碩士研究生，研究方向：海洋牧場結構物水動力特性。E－mail：jiangweizaidagong＠m(xù)ail.dlut.edu.cn

趙云鵬（1980—），男，教授，研究方向：海洋牧場結構物水動力特性。E－mail：Ypzhao＠dlut.edu.cn