開口比變化對人工魚礁流場效應(yīng)影響的評價

馬荍灃 張瑞瑾 席彥彬 徐佳諾

摘要針對人工魚礁周圍復(fù)雜的流場效應(yīng)進(jìn)行的研究已經(jīng)較為成熟，然而對于不同開口比的人工魚礁對流場效應(yīng)影響的系統(tǒng)評價并未提出。針對一組不同開口比的人工魚礁進(jìn)行數(shù)值模擬，提出關(guān)于人工魚礁流場效應(yīng)影響的評價體系，并對不同開口比的人工魚礁的流場效應(yīng)進(jìn)行全面評價。評價結(jié)果認(rèn)為開口單體人工魚礁優(yōu)于不開口的實(shí)心魚礁，但開口不應(yīng)過大，在單孔魚礁情形下，開口比為004時流場效應(yīng)最優(yōu)。

關(guān)鍵詞人工魚礁；開口比；流場效應(yīng)；評價

中圖分類號S953.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2018）05-0105-04

AbstractThe research on complex flow field effect around artificial reef is mature， however， the evaluation of effect of artificial reef with different opening rates on convective field effects was not proposed. Numerical simulation of artificial reef specimens for a set of different openings was carried out，the evaluation system of effect of artificial reef flow field effect was put forward，and the flow field effect of numerical simulation results was evaluated comprehensively. It showed that the opening artificial reef was superior to the nonopening reef，and the opening should not be too large. In the case of singleaperture artificial reef， the flow field effect was optimal when the opening ratio was 0.04.

Key wordsArtificial reef；Open ratio；Flow field effect；Evaluation

人工魚礁是人們在海中經(jīng)過科學(xué)選點(diǎn)而設(shè)置的水中構(gòu)造物，可起到改善海域生態(tài)環(huán)境，為魚類等水生生物的聚集、索餌、繁殖、生長、避敵等提供必要、安全的棲息場所，以達(dá)到保護(hù)漁業(yè)資源和提高漁獲量的目的[1-2]。產(chǎn)生這樣效果的原因是人工魚礁的放置，會改變原有海域的流場，如產(chǎn)生上升流和背渦流，進(jìn)而促進(jìn)上下層水體的交換，加快海底營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，提高海域生產(chǎn)力水平，養(yǎng)護(hù)漁業(yè)資源[3]。對于不同開口比的人工魚礁，其周圍流場效應(yīng)會有一定的差異[4-5]。對于人工魚礁的研究除了現(xiàn)場生物量調(diào)查外，多是針對人工魚礁周圍流場效應(yīng)進(jìn)行的水槽、風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬試驗(yàn)[4，6]。不同魚礁形狀的改變到底對周圍流場會產(chǎn)生多大的影響；同一類型的開口魚礁，多大的開口比對流場的影響更好等這些問題，除了討論上升流和背渦流2個因素外，還缺乏一個完整的評價體系。該研究旨在立足數(shù)值模擬結(jié)果對人工魚礁不同開口比情況下的流場效應(yīng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行模糊評價，從而建立初步的人工魚礁流場效應(yīng)評價體系。

1數(shù)值模擬

1.1控制方程

（1）連續(xù)性方程：

ux+vy+wz=0（1）

（2）動量守恒方程：

（ρu）t+div（ρuu→）=div（μgradu）-px+Su

（ρv）t+div（ρvu→）=div（μgradv）-py+Sv（2）

（ρw）t+div（ρwu→）=div（μgradw）-pz+Sw

式（1）（2）中u、v和w分別為x、y和z方向速度的分量，t是時間，ρ是密度，u→是速度矢量，μ是動力粘度，p是壓力，div是散度，grad是梯度，Su、Sv和Sw是動量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

（3）能量方程：

（ρT）t+（ρuT）x+（ρvT）y+（ρwT）z

=xkcpTx+

ykcpTy+

zkcpTz+ST

（3）

式（3）中，cp為比熱容，T為溫度，k為流體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，ST為粘性耗散項(xiàng)。需要注意的是雖然能量方程是流體流動與傳熱問題的基本控制方程，但對于不可壓流動，若熱交換量很小以致可以忽略時，可以不考慮能量守恒方程。

1.2選用方法與初始條件

數(shù)值模擬部分以不同開口比的人工魚礁為研究對象，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，對魚礁周圍的流場效應(yīng)進(jìn)行研究。選取k-ε湍流模型，計(jì)算區(qū)域尺寸設(shè)定為150 cm（長）×45 cm（寬）×60 cm（高），試驗(yàn)所選取人工魚礁模型尺寸同水槽試驗(yàn)，為10 cm×10 cm×10 cm的正方體礁塊；選取來流速度作為速度入口條件，流速為18 cm/s。魚礁模型開口比分別取r1=0，r2=0.01，r3=004，r4=0.09，r5=0.16，r6=0.25，如圖1所示。

2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

不同開口大小魚礁的上升流分布情況如圖2，不同開口大小魚礁的背渦流分布情況側(cè)視圖如圖3。

隨著開口大小的變化，上升流的規(guī)模與強(qiáng)度隨之有一定的變化。如圖4所示，開口越大，上升流的高度相對減小，且上升流的水平跨度也越來越小。但是，當(dāng)魚礁開口時，礁體中下部區(qū)域的上升流有所增大，且開口過大時（r>0.16），此種現(xiàn)象反而不如之前明顯。因此，當(dāng)魚礁開口時，在一定程度內(nèi)會促進(jìn)上升流帶動水體底部營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)。上升流的最大流速，出現(xiàn)在礁體前段的最上部，其大小隨著開口的變大，呈略微減小的趨勢。

在人工魚礁試件開孔之后，礁體后方區(qū)域的流場情況變得愈加復(fù)雜。在開口比分別為r=0.01和r=0.04時，人工魚礁后方的向下渦旋和不開口情況相比依然明顯，并且其渦旋在水平方向上的長度呈增加的趨勢，但是隨著開口尺寸的增大，礁體后方的向下渦旋變得越不明顯。數(shù)值模擬表明，當(dāng)礁體開口時，在開孔上方與礁體頂端之間還會產(chǎn)生2個相對較小的反方向渦旋?？傊?，在人工魚礁開口之后，礁體后方流場情況變得更加復(fù)雜，但是隨著開口尺寸的連續(xù)增大，礁體后方的渦旋現(xiàn)象越不明顯。因此，在選取指標(biāo)時，為了充分考慮此礁體后方區(qū)域流場情況的復(fù)雜性，該研究并非單

一討論背渦流的長度、高度等常用數(shù)據(jù)，而是選取更合理的回流區(qū)的長、寬、高的數(shù)據(jù)。因?yàn)楫?dāng)人工魚礁附近的流場產(chǎn)生回流現(xiàn)象時，在一定程度上對流場水體內(nèi)微生物、營養(yǎng)物質(zhì)等對魚類等產(chǎn)生誘集物質(zhì)的運(yùn)動有很大的促進(jìn)作用，并且使回流區(qū)域水流速度減緩，為幼魚提供休憩水域，對喜好緩流速的魚類起到誘集作用。如圖5所示，隨著開口大小的變化，礁體后方流場回流區(qū)在高度、寬度以及長度出現(xiàn)變化。在開口比為0、0.01、0.04時，回流區(qū)長度逐漸增長，在r=004時最大，在r=0.09以后，回流區(qū)長度隨開口增大而減小。而回流區(qū)的長度和高度，隨著開口大小的變大而不斷減小。人工魚礁開口比大小的改變對回流區(qū)長度影響最明顯，以r=0.04時為變化情況的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可是開口比大小對回流區(qū)域的高度和寬度的影響都呈現(xiàn)反比例變化，即隨著開口比大小的增加而不斷減小。

3開口比對人工魚礁流場效應(yīng)影響的評估

3.1評價指標(biāo)的選取和評價體系的建立

為建立具有條理清晰的對于人工魚礁流場效應(yīng)的評價指標(biāo)體系，應(yīng)用層次分析法[7]，所建立的指標(biāo)體系及權(quán)重如圖6所示。

3.2人工魚礁開口大小變化對流場效應(yīng)影響的評價

研究表明，開口大小的變化對魚礁上升流影響不大，但是對魚礁后方區(qū)域的影響較大。根據(jù)所選指標(biāo)的數(shù)值（表1），建立特征值矩陣X，根據(jù)魚礁投放區(qū)一般以選擇流速較低地區(qū)（近岸地區(qū)）為前提，指標(biāo)特征值越大越優(yōu)。取最大特征值的相對隸屬度為1，最小特征值的相對隸屬度為0，計(jì)算相對優(yōu)屬度，構(gòu)造相對隸屬度矩陣。計(jì)算評價對象對優(yōu)劣的廣義距離[8]。最后對任意一種開口情形計(jì)算相對優(yōu)屬度，從而得到各個魚礁流場效應(yīng)的相對優(yōu)屬度，最后對其排序，結(jié)果見表2。

4結(jié)論

根據(jù)相對隸屬度排序可知，對于開口人工魚礁，開口較小時產(chǎn)生的流場效應(yīng)較好。在開口比為0.04時，流場效應(yīng)最好，其次為開口0.01和0.09時。隨著開口越大，產(chǎn)生的流場效應(yīng)反而不如開口較小時，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因如下：

上升流流速隨著開口增大逐漸減小，且當(dāng)開口較大時減小明顯；

上升流高度與上升流水平跨度在開口較小時幾乎沒有變化，但是當(dāng)開口較大時，上升流高度及水平跨度有一定程度的減?。?/p>

在魚礁開口較小時，回流區(qū)范圍擴(kuò)大，但是當(dāng)開口較大時，由于水流經(jīng)過開口后流速較大，造成礁體后方不容易產(chǎn)生回流，故回流區(qū)范圍反而變小。

該研究建立的評價體系雖可應(yīng)用于工程實(shí)際，但是實(shí)際生產(chǎn)中的人工魚礁復(fù)雜度較高，在評價工作方面，僅為人工魚礁流場效應(yīng)影響搭建了一個初步的評價體系，由此選定一些評價指標(biāo)和參數(shù)，其中很多影響因子的考量和權(quán)重要在今后的研究和發(fā)展中不斷調(diào)整和修正。人工魚礁是海洋牧場工程的重要組成部分，其環(huán)境作用、生態(tài)功能、經(jīng)濟(jì)價值等效果日益顯著。其所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)也是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在今后的研究中有待對人工魚礁的整體效果進(jìn)行更為全面的指標(biāo)選擇、體系構(gòu)建和效果評價，為我國的人工魚礁建設(shè)工程提供科學(xué)的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張本，孫建璋.南麂列島人工魚礁生態(tài)休閑漁業(yè)設(shè)計(jì)與初步實(shí)施[J].現(xiàn)代漁業(yè)信息，2002，17（9）：3-7.

[2] 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.

[3] 林軍，章守宇.人工魚礁物理穩(wěn)定性及其生態(tài)效應(yīng)的研究進(jìn)展[J].海洋漁業(yè)，2006，28（3）：257-260.

[4] 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）：229-336.

[5] 姜昭陽，梁振林，唐衍力，等.應(yīng)用PIV系統(tǒng)研究橫流中人工魚礁模型繞流流場結(jié)構(gòu)[C]//2008年中國水產(chǎn)學(xué)全學(xué)術(shù)年會論文摘要集.北京：中國水產(chǎn)學(xué)會，2008：248-251.

[6] 李珺，林軍，章守宇.方形人工魚礁通透性及其對礁體周圍流場影響的數(shù)值實(shí)驗(yàn)[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報，2010，19（6）： 836-840.

[7] 許樹柏.層次分析法原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，1988.

[8] 李安貴，張志宏，孟艷，等.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.