水流作用下人工魚(yú)礁二維流場(chǎng)PIV試驗(yàn)研究

王一帆

摘 要：目前，人工魚(yú)礁已經(jīng)大量投入使用，科學(xué)家對(duì)人工魚(yú)礁是否開(kāi)孔、開(kāi)孔大小、開(kāi)孔間距、開(kāi)孔疏密進(jìn)行了研究，取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。本文利用粒子圖像測(cè)速法（簡(jiǎn)稱(chēng)PIV）對(duì)人工魚(yú)礁二維流場(chǎng)進(jìn)行研究，通過(guò)研究開(kāi)孔大小不同的方形人工魚(yú)礁在周?chē)魉俣认嗤那闆r下，水對(duì)其沖擊力的大小和渦量大小的變化，探究更利于魚(yú)類(lèi)生存的人工魚(yú)礁。本次試驗(yàn)研究用solidworks繪制出無(wú)孔、占比0.1倍、占比0.17倍的有孔魚(yú)礁模型圖;用3D打印技術(shù)將魚(yú)礁模型打印出來(lái);搭建光路板，連入CCD高速攝像機(jī)拍攝圖像;通過(guò)Microvec mini軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算;將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入tecplot繪制速度場(chǎng)渦量場(chǎng)圖像，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。結(jié)論：開(kāi)孔的魚(yú)礁比不開(kāi)孔魚(yú)礁能更好的分散水流，減緩流速，減少渦量;占比0.1倍有孔魚(yú)礁比占比0.17倍有孔魚(yú)礁能更好的緩解流速，減少渦流。魚(yú)礁開(kāi)孔有分散水流、減緩流速的作用?？讖酱笮『线m的魚(yú)礁既能很好緩解流速，又能很好的減少渦流。根據(jù)魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)參數(shù)可以指導(dǎo)魚(yú)礁的設(shè)計(jì)和優(yōu)化布設(shè)魚(yú)礁群的優(yōu)化布設(shè)，利于深海浮游植物生長(zhǎng)和魚(yú)類(lèi)棲息、索餌、繁殖，利于漁場(chǎng)修復(fù)和水域生態(tài)改善。。

關(guān)鍵詞：人工魚(yú)礁;PIV技術(shù);開(kāi)孔大小;流體力學(xué)

1研究背景及意義

人工魚(yú)礁是人為置于海底的構(gòu)筑物，會(huì)在其布設(shè)周?chē)囊欢ǚ秶鷥?nèi)形成上升流，將海底深層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶到表層水面，促進(jìn)浮游植物生長(zhǎng)、吸引魚(yú)類(lèi)覓食。由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，人工魚(yú)礁還能為魚(yú)類(lèi)等提供相對(duì)安全的棲息環(huán)境和索餌繁殖場(chǎng)所，有利于幼魚(yú)和繁殖期魚(yú)類(lèi)的棲息。在投放一定時(shí)間后，人工魚(yú)礁附近會(huì)形成穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境，有利于漁場(chǎng)的自我修復(fù)。人工魚(yú)礁的形狀多種多樣，有方形、三角形、圓臺(tái)形、米字型、金字塔型等。人工魚(yú)礁投放方式有單體布設(shè)和多體布設(shè)等。對(duì)于如何更有效地設(shè)計(jì)和優(yōu)化布設(shè)人工魚(yú)礁，也是現(xiàn)今建設(shè)海洋牧場(chǎng)的重要課題之一。人工魚(yú)礁還有利于保護(hù)生物多樣性。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。通過(guò)此種數(shù)值模擬技術(shù)，可以得到所研究流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量。目前，已經(jīng)有李珺等三人在（2010）[1]采用數(shù)值模擬方法研究了布設(shè)間距對(duì)無(wú)孔實(shí)心方型人工魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)的影響;鄧濟(jì)通等（2013）[2]研究了布設(shè)間距對(duì)無(wú)孔三棱柱形人工魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)的影響;于定勇等（2019）研究了不同開(kāi)口比的方形魚(yú)礁的水動(dòng)力特性;黃遠(yuǎn)東等（2012）研究了多孔方型人工魚(yú)礁周?chē)鲬B(tài)效應(yīng)，尚未涉及開(kāi)孔占比0.1倍、0.17倍多孔方形人工魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)效應(yīng)。為探究開(kāi)孔大小對(duì)多孔方型人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的影響，本研究基于粒子圖像測(cè)速法（簡(jiǎn)稱(chēng)PIV）技術(shù)，模擬無(wú)孔、開(kāi)孔占比0.1倍、0.17倍三個(gè)魚(yú)礁單體周?chē)鲬B(tài)，研究結(jié)果將為魚(yú)礁的設(shè)計(jì)和優(yōu)化布設(shè)提供理論依據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)原理

2.1.1 PIV技術(shù)

PIV技術(shù)（Particle Image Velocimetry）又稱(chēng)粒子圖像測(cè)速法，在流場(chǎng)中布撒大量示蹤粒子（粒徑小于 10 微米）跟隨流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)（空氣中使用空心玻璃微珠或者液體小顆粒煙霧，本次實(shí)驗(yàn)用的是直徑10微米鍍銀空心小球），把激光束經(jīng)過(guò)組合透鏡擴(kuò)束成片光照明流場(chǎng)，使用高速相機(jī)拍攝流場(chǎng)照片，得到的前后兩幀粒子圖像，對(duì)圖像中的粒子圖像進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算得到流場(chǎng)一個(gè)切面內(nèi)定量的速度分布。進(jìn)一步處理可得流場(chǎng)渦量、流線(xiàn)以及等速度線(xiàn)等流場(chǎng)特性參數(shù)。在已知的時(shí)間間隔 Δt 內(nèi)，跟隨流體運(yùn)動(dòng)的示蹤粒子被由脈沖激光器發(fā)出，經(jīng)過(guò)透鏡組作用的片光照射將粒子的瞬間位置記錄在 CCD 芯片上。如果我們知道在 t1 與 t2 這兩個(gè)時(shí)刻同一顆粒微團(tuán)的位移變化，從記錄所得顆粒圖像，根據(jù)速度的定義式就可以獲得顆粒群在 t1 時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度分布：

一般地，在應(yīng)用 PIV 技術(shù)時(shí)，有三個(gè)假設(shè)：

1. 示蹤粒子跟隨流體運(yùn)動(dòng)。

由于 PIV 技術(shù)是通過(guò)測(cè)量示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)測(cè)量流體運(yùn)動(dòng)速度，這就要求示蹤粒子相對(duì)于流體有很好的跟隨性。直徑d術(shù)是通過(guò)測(cè)的示蹤粒子與流體跟隨性比較好。

2. 示蹤粒子在流場(chǎng)中均勻分布。

如果示蹤粒子在流場(chǎng)中沒(méi)有均勻分布，則在粒子濃度過(guò)大或過(guò)小處容易產(chǎn)生明顯的錯(cuò)誤向量。通過(guò)實(shí)施向量修正可以去除部分錯(cuò)誤向量，但如果錯(cuò)誤向量過(guò)多時(shí)，則無(wú)法完全去除。

3. 判讀區(qū)內(nèi)具有唯一的速度。

在PIV測(cè)速技術(shù)中，高質(zhì)量的示蹤粒子要求為：（1）比重要盡可能與實(shí)驗(yàn)流體相一致;（2）足夠小的尺度;（3）形狀要盡可能圓且大小分布盡可能均勻;（4）有足夠高的光散射效率。通常在液體實(shí)驗(yàn)中使用空心微珠或者金屬氧化物顆粒，空氣實(shí)驗(yàn)中使用煙霧或者粉塵顆粒（超音速測(cè)量使用納米顆粒），微管道實(shí)驗(yàn)使用熒光粒子等。PIV測(cè)速系統(tǒng)使用激光發(fā)射器，最高發(fā)射能量為800mj;采用CCD高速攝像機(jī)如圖4，拍攝幀數(shù)為200張/秒，其分辨率為3M，且圖像放大系數(shù)為0.64;示蹤粒子為10微米鍍銀空心小球;設(shè)置互相關(guān)分析的查問(wèn)域大小為32×32像素。

2.1.2 solidworks

Solidworks是一款三維建模軟件;能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。Solidworks不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。使用Solidworks，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的。本次實(shí)驗(yàn)中利用Solidworks繪制作了三個(gè)開(kāi)孔大小不同的魚(yú)礁模型。

2.1.3 Tecplot

Tecplot是一款功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和CFD可視化處理軟件。它能按照您的設(shè)想迅速地根據(jù)數(shù)據(jù)繪圖及生成動(dòng)畫(huà)，對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將您的結(jié)果與專(zhuān)業(yè)的圖像和動(dòng)畫(huà)聯(lián)系起來(lái)。是繪圖和數(shù)據(jù)分析的通用軟件，對(duì)于進(jìn)行數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析和測(cè)試是理想的工具。作為功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)顯示工具，Tecplot通過(guò)繪制XY，2-D和3-D數(shù)據(jù)圖以顯示工程和科學(xué)數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)研究用tecplot分析了從攝像機(jī)里傳出來(lái)的圖像。

2.1.4 3D打印

3D打?。?D printing），屬于快速成形技術(shù)的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)（即“積層造形法”）。過(guò)去常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。本次試驗(yàn)中用這種技術(shù)來(lái)打印魚(yú)礁模型。

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

設(shè)置單一流速以方形人工魚(yú)礁開(kāi)孔大小為變量進(jìn)行研究。先繪制魚(yú)礁模型圖，用solidworks畫(huà)長(zhǎng)為30mm寬為20mm的長(zhǎng)方形，再拉伸成高為20mm的長(zhǎng)方體，做成無(wú)孔魚(yú)礁模型圖;然后在前后左右四個(gè)面上分別開(kāi)占面積0.1倍的孔，完全貫穿，做成占比0.1倍有孔魚(yú)礁模型圖;由此類(lèi)推，在無(wú)孔魚(yú)礁前后左右四個(gè)面上開(kāi)分別開(kāi)占面積0.17倍的孔，做成占比0.17倍有孔魚(yú)礁模型圖。如圖5.再利用3D打印技術(shù)將模型打印出來(lái)備用，如圖6.

再利用3D打印技術(shù)將模型打印出來(lái)備用，如圖將三種模型依次放入三維流場(chǎng)中，進(jìn)行試驗(yàn)。為了減小激光反射影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在魚(yú)礁模型表面貼上黑膠布，接著向水槽注水至水面高度接近水槽高度一半為止。在水槽右側(cè)放置激光發(fā)射器，前端放置CCD高速攝像機(jī);依次將人工魚(yú)礁模型放置在水槽內(nèi)，用雙面膠固定將魚(yú)礁模型于水槽靠近激光發(fā)射器一側(cè)，以獲得更加清晰的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖像。

在水槽流場(chǎng)中布撒（直徑10微米鍍銀空心小球）示蹤粒子，適當(dāng)攪拌，使示蹤粒子均勻散布，開(kāi)始攪動(dòng)水流，設(shè)定來(lái)流速度為0.5米/秒，待水流平穩(wěn)后用脈沖激光片光源入射到所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域中，調(diào)整CCD高速攝像機(jī)俯視拍攝角度，以能拍攝到水流的垂直面為止（拍攝幀數(shù)為200張/秒，圖像放大系數(shù)為0.64，），觀(guān)察二維流場(chǎng)，通過(guò)連續(xù)兩次或多次曝光粒子的圖像被記錄在PIV底片上或CCD高速攝像機(jī)上。通過(guò)Microvec mini軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，采用自相關(guān)法或互相關(guān)法，逐點(diǎn)處理PIV底片或CCD高速攝像機(jī)記錄的圖像，獲得流場(chǎng)速度及渦流場(chǎng)分布。最后將計(jì)算數(shù)據(jù)傳入tecplot，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪制速度場(chǎng)渦流場(chǎng)圖像。

2.3結(jié)果與分析

速度圖像中紅色區(qū)域說(shuō)明來(lái)流速度大，顏色越重，速度越大;藍(lán)色區(qū)域說(shuō)明來(lái)流速度小，顏色越重，速度越小，綠色區(qū)域說(shuō)明速度居中。渦量圖像中紅色區(qū)域速度為正矢量，藍(lán)色區(qū)域速度為負(fù)矢量，紅色與藍(lán)色同時(shí)出現(xiàn)的區(qū)域是渦流形成的圖像，紅藍(lán)區(qū)域的總面積說(shuō)明渦流范圍，顏色對(duì)比越明顯，說(shuō)明渦量越大。

對(duì)比速度圖及渦量圖可以得知水流繞過(guò)無(wú)孔魚(yú)礁時(shí)，魚(yú)礁背后會(huì)產(chǎn)生比較大的渦流，魚(yú)礁周?chē)乃魉俣容^大;水流繞過(guò)占比0.17倍的有孔魚(yú)礁，水流可以從孔中分流一部分，但因孔較大，減緩水流的作用有限，且從孔流出的水流與繞過(guò)魚(yú)礁過(guò)來(lái)的水流匯合后，形成較大的渦量;水流繞過(guò)占比0.1倍的有孔魚(yú)礁，從孔流出的水流較少，阻止了大部分水流，一方面減少了魚(yú)礁?jìng)?cè)邊的水流，降低了魚(yú)礁?jìng)?cè)流速，一方面孔中較少的水流匯合繞過(guò)魚(yú)礁的側(cè)水流，形成的漩渦渦量較小。

2.4討論與結(jié)論

討論：本次實(shí)驗(yàn)以魚(yú)礁開(kāi)孔大小為單一變量的PIV試驗(yàn)研究。通過(guò)無(wú)孔魚(yú)礁與有孔魚(yú)礁的對(duì)比可以得出開(kāi)孔的魚(yú)礁可分散水流，減緩流速，減少渦量;通過(guò)開(kāi)孔占比0.1倍魚(yú)礁和開(kāi)孔占比0.17倍開(kāi)孔魚(yú)礁的對(duì)比可以得出開(kāi)孔大小合適的魚(yú)礁能更好的緩解流速，減少渦量。魚(yú)礁開(kāi)孔有利于分散水流，讓一部分水流從孔中間流過(guò)，減緩魚(yú)礁兩邊的流速，如果開(kāi)孔過(guò)大的話(huà)，不僅縮弱了減緩水流的作用，而且孔中流出的水流與繞過(guò)魚(yú)礁的水流匯合，形成的渦流較大，孔徑大小合適的礁體從孔中流出的水流與繞過(guò)礁體的水流匯合后形成的渦流較小，甚至不形成渦流。

結(jié)論：開(kāi)孔的魚(yú)礁比無(wú)不開(kāi)孔魚(yú)礁能更好的分散水流，減緩流速，減少渦量;開(kāi)孔占比0.1倍有孔魚(yú)礁比開(kāi)孔占比0.17倍有孔魚(yú)礁能更好的緩解流速，減少渦流。魚(yú)礁開(kāi)孔有可分散水流，減緩流速的作用?？讖酱笮『线m的魚(yú)礁既能很好緩解流速，又能很好的減少渦流。根據(jù)魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)這些參數(shù)可以指導(dǎo)魚(yú)礁形狀的設(shè)計(jì)和優(yōu)化布設(shè)魚(yú)礁群，利于深海浮游植物生長(zhǎng)和魚(yú)類(lèi)棲息、索餌、繁殖，利于漁場(chǎng)修復(fù)和水域生態(tài)改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]李珺，林軍，章守宇， 方形人工魚(yú)礁通透性及其對(duì)礁體周?chē)鲌?chǎng)影響的數(shù)值實(shí)驗(yàn)[D]. 上海海洋大學(xué)， 2010.

[2]于定勇，楊遠(yuǎn)航，李宇佳，不同開(kāi)口比人工魚(yú)礁體水動(dòng)力特性及礁體穩(wěn)定性研究[D]. 中國(guó)海洋大學(xué)， 2019.