圓筒型魚礁體縱橫布設(shè)間距下的水動力特性研究

胡 聰,毛海英*,王開睿

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,廣西 柳州 545000;2.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院,山東 青島 266100)

人工魚礁的設(shè)置可以修復(fù)天然水域中的海水環(huán)境,優(yōu)化流場效應(yīng),為魚蝦等海洋生物營造良好的棲息環(huán)境。而上升流、渦流和背渦流等流場效應(yīng)的改變使得水體周圍養(yǎng)分的交換更頻繁,可修復(fù)及改善海洋生態(tài)系統(tǒng),極大提高海洋養(yǎng)分肥沃度,達到漁業(yè)資源增殖及保護的目的。

近年來,諸多學(xué)者主要采用水槽模型實驗、數(shù)值模擬等方法對魚礁體水動力特性進行了大量的研究。水槽模型實驗是人工魚礁水動力學(xué)研究的重要方法,可根據(jù)實際情況縮小比尺測得各個工況下的模型參數(shù),實驗條件良好,過程直觀。Christopher和Chou[1]以及Sanchez-Jerez等[2]通過物理模型實驗研究了地中海及新加坡海域人工魚礁體的集魚作用。Fujihara等[3]通過數(shù)值計算物理-生物耦合模型研究了礁體前方上升流的變化。蔣為等[4]、張碩等[5]和Li等[6]采用粒子圖像測速實驗(Particle Image Velocimetry,PIV),通過改變不同水流速度和人工魚礁體迎流角度,研究人工魚礁體產(chǎn)生的上升流及背渦流的變化規(guī)律。目前,計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件已廣泛應(yīng)用于人工魚礁水動力數(shù)值模擬,可三維動態(tài)反映水流形態(tài),數(shù)據(jù)統(tǒng)計快捷可靠。不同學(xué)者研究了立方體框架[7]、米字型[8]、圓臺型[9]、三棱體[10]、梯形臺[11]等人工魚礁體對流場效應(yīng)的影響。部分學(xué)者研究了單個礁體的開口比[12-13]、單個礁體的開口直徑[14]、多個礁體的布設(shè)間距及組合方式[15-16]等因素對人工魚礁體周圍流場特性的影響,為單個礁體構(gòu)造、礁體組合方式布置的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

本文研究了圓筒型人工魚礁體的水動力特性,驗證了數(shù)值計算結(jié)果的可信度,開展了不同縱橫布設(shè)間距下圓筒型魚礁體的水動力特性研究,并計算了上升流最大高度、上升流水平跨度、上升流體積和阻力系數(shù),分析其產(chǎn)生原理及變化規(guī)律,給出了適宜的排列方式及布設(shè)間距的距離,為海洋養(yǎng)殖增產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗礁體

本研究所用的圓筒型人工魚礁體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示,底層設(shè)置了8個鋸齒狀弧形柵格,呈對稱分布,原型礁體底面齒狀外邊緣圓直徑為3.3 m,頂面外邊緣圓直徑為2.7 m,上下圓面平均直徑為3.0 m,實驗礁體底面齒狀外邊緣圓直徑為16.5 cm,頂面外邊緣圓直徑為13.5 cm,上下圓面平均直徑為15 cm,開口比(迎流面開口沿水流垂直方向投影面積與迎流面面積的比值)φ=0.1,物理模型比尺λ=20。生產(chǎn)性魚礁采用混凝土材料,其中混凝土糙率n實=0.014 0。根據(jù)水力相似準(zhǔn)則,當(dāng)λ=20時,模型的糙率n模=n實/λ1/6=0.008 5。有機玻璃較光滑,糙率取值范圍為0.007 5～0.008 5,模型采用有機玻璃加工,滿足糙率要求。

圖1 圓筒型人工魚礁體結(jié)構(gòu)尺寸(cm)Fig.1 Structural dimensions of the cylindrical artificial reefs(cm)

1.2 魚礁體水槽模型

圖2為圓筒型魚礁水槽模型實驗裝置示意圖。長2 m、直徑為1 cm的連接桿的一端與測力儀連接,另一端與圓筒型人工魚礁體連接,垂直放置在水槽中央,并使圓筒型人工魚礁體模型與水槽底部留有微小縫隙但確保不觸底(以免影響測力計讀數(shù))。采用挪威諾泰克公司生產(chǎn)的Vectrino小威龍點式聲學(xué)多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimetry,ADV)進行流速測量,將ADV水平放置于圓筒型魚礁體前0.6 m處,探頭垂直位置高于礁體中心位置5 cm(采樣體位于探頭下方5 cm處),等到流速穩(wěn)定后移動流速儀測量礁體周圍測點的流速,每個測點實驗3次,取其平均值作為該測點的流速測量值。

圖2 圓筒型魚礁水槽模型實驗裝置Fig.2 Device for water tank model experiment of the cylindrical artificial reefs

原型礁體迎流面前方0.6 m處流速為0.8 m/s,根據(jù)重力相似準(zhǔn)則,計算得到該位置實驗流速為0.179 m/s。待礁體前0.6 m處實驗流速穩(wěn)定后,測量坐標(biāo)為A1B1、A2B1、A3B1、A4B1、A5B1和A6B1的流速測點的流速(圖3)。礁體縱向間距(S)為1.0L和2.0L(L為礁體長度)時測點的布置如圖3所示。

圖3 不同縱向布設(shè)間距下測點布置圖(cm)Fig.3 The layout of measuring points under different longitudinal spacing(cm)

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 控制方程

多數(shù)物體周圍流體的流動都屬于湍流,湍流是一種非穩(wěn)定的復(fù)雜且不規(guī)則的三維流動,本研究中控制方程采用不可壓縮流體、溫度恒定下的連續(xù)方程和動量方程,而湍流模型選用常用的RNGk-ε模型。其控制方程如下:

1)連續(xù)方程:

2)動量方程:

式中:U i為流量;i=1、2、3,j=1、2、3,i≠j,i和j分別代表x、y和z方向;u i和u j均為x、y和z方向的雷諾平均速度;ρ為流體密度;p為壓強;ν為運動黏性系數(shù);為未知的雷諾應(yīng)力項;f i為體積力;t為時間。

圓筒型魚礁體周圍流線變化幅度較大,且存在高應(yīng)變率流動,故采用RNGk-ε湍流模型,該模型可較好模擬近壁區(qū)內(nèi)及雷諾數(shù)Re較低的流動。其控制方程如下:

1)湍動能(k)方程:

2)湍流耗散率(ε)方程:

式中:μeff為有效黏性系數(shù),μeff=μ+μt,其中μt為湍動黏度系數(shù),,Cμ=0.084 5;G k為由于平均流速梯度引起的湍動能產(chǎn)生項,G k=2μt E ij E ij,其中E ij為時均應(yīng)變率,;為附加項,;經(jīng)驗常數(shù)C1ε=1.42,C2ε=1.68;有效普朗特數(shù)αk=αε=1.39;熱膨脹系數(shù)β=0.012。

1.3.2 水動力計算域

水動力計算中,圓筒型魚礁體選取0.5L、1.0L、1.5L和2.0L(L取圓筒型魚礁體上下圓面平均直徑3.0 m)四種橫向(垂直水流方向)布設(shè)間距T,選取0.5L、1.0L、2.0L、3.0L、4.0L和5.0L六種縱向(順?biāo)鞣较?布設(shè)間距S,來流速度選取0.8 m/s。圖4給出了橫向布設(shè)間距為2.0L時的流場計算域示意圖。

圖4 橫向布設(shè)間距為2.0L時流場計算域示意圖Fig.4 The calculation domain of the flow field under the transverse layout spacing of 2.0L

2 水動力特性研究

2.1 模型可靠性驗證

本文實測了圓筒型人工魚礁體在縱向布設(shè)間距1.0L和2.0L礁體長度下的流場及受力特性,數(shù)值計算并驗證了物理模型實驗中各個測點的流速值及阻力值,圖5給出了縱向布設(shè)間距為1.0L和2.0L的礁體測點流速模擬換算值(即流速模擬值/λ,λ=20)與實驗值的比較結(jié)果。

圖5 雙礁體不同縱向布設(shè)間距下測點流速數(shù)值模擬換算值與實驗值對比Fig.5 Comparison between the numerical simulation conversion values and the experimental values of the flow velocity at measuring points under different longitudinal layout spacing of double reefs

當(dāng)圓筒型雙礁體縱向間距為1.0L時,前方測點無遮擋,受到水流擾動較小,測點A1B1、A2B1、A3B1處流速計算值與實驗值相對誤差較小,測點A4B1受到后方礁體與實驗螺桿的擾動作用較大,測量讀數(shù)時流速變化范圍較大,測量讀數(shù)3次,取其平均值作為該測點的流速測量值,測量誤差為7.2%,隨著距離的增加,測點A5B1、A6B1處流速模擬值與實驗值相對誤差較小。當(dāng)圓筒型雙礁體縱向間距為2.0L時,前后礁體距離較遠(yuǎn),實驗螺桿的擾動作用相對較小,測量誤差為4.1%,計算值和實驗值符合度較好。

考慮圓筒型魚礁體在來流速度不變時的受力情況,此時阻力系數(shù)Cd計算式如下:

式中:F為順?biāo)飨蜃枇?N);A為礁體迎流面積(m2);ρ為海水密度(kg/m3);u為水流速度(m/s)。

表1給出了前方礁體阻力系數(shù)模擬值與實驗值對比結(jié)果。由表1可見,前方礁體阻力系數(shù)計算值與實驗值的比較,當(dāng)圓筒型雙礁體縱向間距為1.0L時,計算值與實驗值相對誤差為5.08%(計算值小于實驗值),由于前方礁體與后方礁體距離較近,遮流作用較為明顯,加上水槽造流電機的振動及實驗螺桿的阻力作用,物模實驗值比數(shù)值計算值稍大。當(dāng)圓筒型雙礁體間距增大到2.0L時,后面礁體擾流現(xiàn)象有所減輕,計算值與實驗值相對誤差為2.67%(計算值小于實驗值),計算值與實驗值較吻合。

表1 前方礁體阻力系數(shù)模擬值與實驗值對比Table 1 Comparison between the numerical simulations and the experimental values of the front reef resistance coefficient

2.2 流場形態(tài)

本文選取上升流最大高度、上升流水平跨度和上升流體積指標(biāo),來反映圓筒型人工魚礁體不同縱橫間距組合下的水動力特性,其中上升流為垂向速度與來流速度的占比大于或等于5%的流速。

圖6為不同橫向布設(shè)間距的圓筒型雙礁體斷面速度云圖,雙礁體流速特性對稱分布,雙礁體前方存在一定的緩流區(qū),流速范圍為0.7～0.8 m/s,圓筒型雙礁體急流區(qū)范圍與布設(shè)間距的大小成正比,橫向布設(shè)距離大于1.5L,圓筒型雙礁體急流區(qū)范圍趨于穩(wěn)定。表2給出了不同橫向布設(shè)間距的上升流特性參數(shù),高礁比(上升流最大高度/礁高)、跨礁比(上升流水平跨度/礁長)均隨著橫向布設(shè)間距的增大而減小,上升流體積隨著橫向布設(shè)間距先減小后增大;橫向布設(shè)距離為0.5L時,上升流最大高度達到礁體高度的2.58倍,橫向布設(shè)距離為2.0L時,上升流體積達到最大值593.44 m3。

圖6 雙礁體不同橫向布設(shè)間距斷面速度云圖(y=1.5 m)Fig.6 Section speed cloud map under different transverse layout spacing of the double reefs(y=1.5 m)

表2 不同橫向布設(shè)間距下上升流特征參數(shù)比較Table 2 Comparison of upwelling feature parameters under different transverse layout spacing

圖7為不同縱向布設(shè)間距的圓筒型雙礁體斷面速度云圖。當(dāng)縱向布設(shè)間距小于2.0L時,后方礁體在前方礁體水動力影響范圍內(nèi),雙礁體之間區(qū)域流速大部分小于0.2 m/s,雙礁體頂部影響區(qū)域較大且流速大于0.85 m/s;當(dāng)縱向布設(shè)間距為2.0L～4.0L時,隨著礁體距離增大,前方礁體對后方礁體影響逐漸變小;當(dāng)縱向布設(shè)間距為4.0L～5.0L時,后方礁體逐漸離開前方礁體影響區(qū)域;當(dāng)縱向布設(shè)間距為4.0L時達到變化拐點,后方礁體上方上升流影響范圍逐漸增大且逐漸區(qū)域穩(wěn)定。表3給出了不同縱向布設(shè)間距的上升流特性參數(shù),縱向布設(shè)高礁比隨著縱向布設(shè)間距的增大而減小;跨礁比和上升流體積隨著縱向間距的增大而增大,但當(dāng)縱向布設(shè)間距大于4.0L時,數(shù)值增幅趨于平緩,當(dāng)縱向布設(shè)間距為4.0L時,流場效應(yīng)較好。

表3 不同縱向布設(shè)間距下上升流特征參數(shù)比較Table 3 Comparison of upwelling feature parameters under different longitudinal layout spacing

圖7 雙礁體不同縱向布設(shè)間距斷面速度云圖Fig.7 Section speed cloud map under different longitudinal layout spacing of the double reefs

2.3 阻力系數(shù)

橫向布設(shè)下魚礁體在水體中對稱布置,左右魚礁體的阻力系數(shù)相同,為了研究橫向布設(shè)間距時雙礁體阻力系數(shù)的變化規(guī)律,引入了左側(cè)礁體和右側(cè)礁體的平均阻力系數(shù),求得雙礁體橫向阻力系數(shù)kH:

式中:Cd為單礁體的阻力系數(shù)。

雙礁體kH隨橫向布設(shè)間距的變化情況如圖8所示,雙礁體橫向阻力系數(shù)隨著橫向布設(shè)間距的增大而減小。當(dāng)橫向布設(shè)間距為2.0L時,已經(jīng)接近單礁體的阻力系數(shù)Cd;當(dāng)雙礁體橫向布設(shè)間距大于2.0L時,隨著橫向布設(shè)間距的增大,礁體之間的影響效應(yīng)已經(jīng)很小。

圖8 雙礁體橫向阻力系數(shù)隨橫向布設(shè)間距的變化Fig.8 Changes of kH with transverse layout spacing under the case of double reefs

縱向布設(shè)下前方礁體與后方礁體的阻力系數(shù)差異較大,如圖9所示。前方礁體阻力系數(shù)隨著縱向布設(shè)間距的先減小后增大,但變化幅度不大,后方礁體阻力系數(shù)隨著縱向布設(shè)間距的增大而增大,變化幅度較大,并逐漸接近單礁體的阻力系數(shù)為0.865。當(dāng)雙礁體距離為5.0L時,后方礁體阻力系數(shù)已達到0.701;當(dāng)雙礁體距離大于4.0L時,隨著縱向布設(shè)間距的增大,礁體之間的影響效應(yīng)已經(jīng)很小。

圖9 雙礁體阻力系數(shù)隨縱向布設(shè)間距的變化Fig.9 Changes of Cd with longitudinal layout spacing under the case of double reefs

3 結(jié) 論

本文實測了圓筒型人工魚礁體在縱向布設(shè)間距1.0L和2.0L礁體長度下的流場及受力特性,數(shù)值計算并驗證了物理模型實驗中各個測點的流速值及阻力值,計算值與實驗值較吻合,得到主要結(jié)論如下:

1)橫向布設(shè)下,隨著橫向布設(shè)間距的增大,上升流最大高度及水平跨度逐漸減小,上升流體積變化無明顯規(guī)律,當(dāng)橫向布設(shè)間距為0.5L時,上升流最大高度最高,橫向布設(shè)間距為2.0L時,上升流體積最大。隨著橫向布設(shè)間距的增大,雙礁體橫向阻力影響系數(shù)隨著橫向間距的增大而減小,當(dāng)雙礁體距離大于2.0L時,隨著距離的增大,礁體之間的影響效應(yīng)已經(jīng)很小。

2)縱向布設(shè)下,隨著縱向布設(shè)間距的增大,上升流最大高度逐漸減小,上升流水平跨度和上升流體積隨著間距的增大而增大,縱向布設(shè)間距為4.0L～5.0L時,增加幅度變緩,前方礁體阻力影響系數(shù)隨著縱向布設(shè)間距的增大先減小后增大,但變化幅度不大,后方礁體阻力系數(shù)隨著縱向布設(shè)間距的增大而增大,變化幅度較大,當(dāng)雙礁體縱向布設(shè)間距大于4.0L時,隨著距離的增大,礁體之間的影響效應(yīng)已經(jīng)很小。

綜上所述,人工礁體在不同的橫向和縱向布設(shè)間距下,礁體周圍流場的分布以及礁體自身阻力系數(shù)都會發(fā)生變化,但是變化的趨勢有所不同。本研究可為今后人工魚礁體群投放時礁體間距的選擇提供有力的依據(jù)。