圓臺型人工魚礁單體流場效應的數值模擬*

蘭孝政， 萬　榮， 唐衍力， 黃六一， 趙芬芳， 鮑偉光， 劉長東， 王召磊

(中國海洋大學水產學院，山東 青島 266003)

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圓臺型人工魚礁單體流場效應的數值模擬*

蘭孝政， 萬榮**， 唐衍力， 黃六一， 趙芬芳， 鮑偉光， 劉長東， 王召磊

(中國海洋大學水產學院，山東 青島 266003)

應用CFD軟件FLUENT開展了圓臺型人工魚礁單體流場效應的數值計算，對比分析了圓臺型人工魚礁與金字塔型、三棱柱型、方型人工魚礁的上升流最大高度、最大速度、平均速度等參數，討論了圓臺型礁的背渦區尺寸和流態。研究顯示，圓臺型礁的上升流最大高度可達礁體高度的2.14～2.17倍，上升流最大速度可達來流速度的0.76倍，上升流平均速度可達來流速度的0.125倍；背渦區長度約為礁體高度的2.3倍。研究結果表明，圓臺型人工魚礁流場流態的大部分指標優于其它4種常見礁型的流場流態，且背渦區漩渦多變、流態復雜，具有較好的應用前景。

圓臺型人工魚礁； 流場效應； 數值模擬； 水槽實驗

引用格式：蘭孝政， 萬榮， 唐衍力， 等. 圓臺型人工魚礁單體流場效應的數值模擬[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2016, 46(8): 47-53.

LAN Xiao-Zheng, WAN Rong, TANG Yan-Li, et al. Numerical simulation of the flow field around the truncated-cone shaped artificial reef [J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(8): 47-53.

近十多年來，以人工魚礁建設、增殖放流為主要內容的海洋牧場建設已成為中國近海漁業資源修復與保護的重要手段，并取得了顯著成效。大量實踐表明,通過在適宜的海域投放人工魚礁，可以改善局部水域的流場環境、生物環境和魚類棲息環境，促進該海域漁業生態環境的修復，從而達到增殖漁業資源的目的。

在人工魚礁區設計與規劃中要求人工魚礁投放后的流場效應要有利于促進水域餌料生物的富集和魚類的集聚。由于人工魚礁流場效應主要受投放水域底質、地形、本底流場和礁體形狀及其配置方式等因素的影響，因此掌握和了解不同類型人工魚礁礁體的水動力學特性，對于礁型選擇和人工魚礁區的設計與規劃具有重要意義。風洞或水槽模型實驗是人工魚礁水動力學研究的傳統方法，具有實驗條件可控、實驗過程直觀等優點，但需要建造昂貴的風洞或水槽實驗設施，實驗費用較高。近年來，隨著計算流體動力學的迅速發展及其應用領域的拓展，許多研究者開始嘗試將CFD理論與技術應用于人工魚礁流場效應的數值模擬研究。例如，Fujihara采用數值模擬法分析礁體上升流流態變化[1]，為人工魚礁的流場研究提供了新思路。潘靈芝對實心方型礁體的二維流場進行了數值模擬分析[2]；劉洪生[3]、李珺[4]借助水槽實驗，驗證了正方體、三棱柱型、金字塔型和米字型人工魚礁流場效應的數值模擬研究的可行性；隨著CFD技術在人工魚礁流場效應研究中應用的深入，先后在礁體開孔[5]、迎流面形狀[6]、礁體與水流的擺放角度[7]、礁體布設間距[8]、投放個數與排列方式[9]等諸要素對人工礁體流場效應的影響研究方面，取得了系列成果，經歷了從二維流場到三維流場模擬，從簡單礁型到復雜礁型的發展過程。

本文借助CFD軟件FLUENT，以圓臺型人工魚礁為研究對象，建立人工魚礁流場效應的數值模擬分析平臺，開展不同來流條件下圓臺型人工魚礁流場效應的數值模擬研究，通過計算礁體上升流和背渦流特征，分析其形成機制及主要影響因素，為人工魚礁選型和礁區設計與規劃提供科學依據。

1　材料與方法

1.1 實物礁體

如圖1所示，圓臺型人工魚礁礁體高2.4m，坡度320%，上、下表面直徑分別為1.5、3.0m，礁體壁厚0.1m。其中，在礁體壁面上均勻開有8個長方型縫隙(0.1m×1.2m)，縫隙開口寬度0.1m，其上緣距離礁體上表面0.6m。由于本實驗僅限于分析人工魚礁的流態變化，故不考慮礁體重量、使用年限等因素。

圖1　圓臺型人工魚礁結構圖

1.2 水槽模型實驗

根據模型實驗水槽的實際條件，確定模型尺度比λL=20，模型實驗按照重力相似準則進行。圓臺型人工魚礁為鋼筋混凝土結構，糙率為0.014。根據糙率相似原理，魚礁模型的糙率為0.0085，選取有機玻璃作為模型材料[10]。以魚礁底面圓心為原點，建立三維直角坐標系，x軸正向為來流方向，y軸正向為鉛直向上，z軸分別垂直于x和y軸。如圖2所示，將模型礁體置于水槽測試區域，并使其中的一個開縫正對來流，所設置的49個測速點均分布于礁體的中心縱截面上(z=0截面)。

圖2　人工魚礁模型實驗流速測點分布示意圖

模型實驗在中國海洋大學“增養殖工程水動力實驗室”的動水槽中進行。實驗時將模型礁體固定于光滑薄銅板上，以防礁體出現滑移、滾動。假設薄銅板為光滑平面，其邊界層對流場的影響可以忽略[9]。設定水槽實驗的流速為0.18m·s-1(相當于實際流速0.80m·s-1)，采用多普勒聲學測速儀測量各測點的流速。

1.3 數學模型

假設流體為不可壓縮的黏性流體，且不考慮流場溫度變化[11]，則水流流經魚礁礁體的控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.3.1 計算域圖3為圓臺型人工魚礁流場計算域示意圖。如圖所示，設定x和y方向計算域長分別為27m(魚礁前9m、后15m)和12m，z軸方向計算域為18m，且呈左右對稱。為計算方便，將計算域再次劃分成A、B兩部分，其中B部分尺寸在x和y方向的長度分別為14和7.2m。

1.3.2 網格劃分和邊界條件采用ICEM分別對A、B兩部分進行網格劃分，A部分采用六面體網格劃分，B部分采用四面體網格劃分。六面體網格質量高且需要生成的網格數量相對較少，而四面體網格能很好地貼合復雜幾何模型。將A、B兩部分網格分別導入FLUENT，通過interface建立聯接[12]。

其次，進行網格獨立性檢驗，最終將A、B兩部分網格最大尺寸分別設置為0.3和0.2m，靠近魚礁表面網格加密。

數值模擬的邊界條件采用速度入口、壓力出口，礁體底面及側面采用無滑移壁面邊界條件，上表面為滑移壁面邊界條件[13]。

圖3　魚礁單體計算域及其側視圖、俯視圖

2　結果與討論

2.1 實驗驗證

圖4和5分別為實際來流速度0.8m·s-1時，各測點x方向與y方向流速的水槽實測值與數值計算值的比較。如圖4、5所示，在礁體前部及上方遠離魚礁處，各點流速幾乎不受魚礁的影響；在礁體近前方附近，呈現x方向流速下降，y方向流速增加的趨勢，其中個別測點處x方向速度接近0，而y方向流速處于峰值。各測點速度的整體變化趨勢實測值(虛線)與數值模擬結果(實線)基本一致。方差檢驗表明，在誤差較大的測點處(位于礁體背渦區的P31、P37)，其不同時刻所測數據之間的方差較大，表明實際流態變化劇烈，紊流強度大，從而也使得其實際測量難度加大。如圖4、5所示，在位于礁體背渦區的P31、P37處，速度在x、y方向的數值計算值均為負值，這是因為在礁體的背渦區形成了順時針漩渦，此結果與劉洪生[3]、李珺[4]所得結果吻合。

圖4　x方向流速水槽實驗與數值模擬結果的比較

圖5　y方向流速水槽實驗與數值模擬結果的比較

2.2 比較與分析

由于人工魚礁的投放導致魚礁區流態的變化(例如產生背渦流、上升流等)，從而引起礁區生物生境改變，因此，本文結合數值模擬結果，重點分析不同來流速度下圓臺型人工魚礁周圍上升流與背渦流的強度、影響范圍，以探討圓臺型人工魚礁的流場效應。

2.2.1 上升流特性為便于分析比較，將y方向速度分量與來流速度之比大于或等于5%的區域定義為上升流區[14]。圖6為圓臺型人工魚礁附近z=0m截面上的流速分布隨來流速度變化的數值模擬結果，采用不同顏色表現不同區域的流速差異，比色柱最左端的藍綠色表示流速接近0，右端的紅色代表最大流速，約為來流速度的1.5倍，從藍綠色向紅色漸變，即速度不斷增大。如圖6所示，在各流速下礁體迎流面上方均產生了明顯的上升流區域。

圖6　不同來流速度下在z=0截面上圓臺型人工魚礁的速度分布

表1為圓臺型人工魚礁與金字塔型等4種其它構型的人工魚礁[15-18]上升流特征參數的結果比較。數值計算結果顯示:

(1)隨著來流速度的增大，圓臺型人工魚礁上升流最大高度(Hmax)在5.13～5.22m之間波動，幾乎不隨來流速度的增加而改變，約為魚礁高度(H)的2.14～2.17倍，明顯大于底面邊長和礁高均為3m的金字塔型魚礁(Hmax/H=1.77)，但小于邊長均為3m的三棱柱型魚礁(Hmax/H=2.88)、多孔方型魚礁(Hmax/H=2.68)和無孔方型魚礁(Hmax/H=2.63)。

(2)上升流最大速度Vmax與來流速度V的比值(Vmax/V)為0.76，也幾乎不隨來流速度的增加而變化。Vmax/V值與金字塔型魚礁相同，略大于多孔方型魚礁(Vmax/V=0.74)，明顯大于三棱柱型魚礁(Vmax/V=0.58)和無孔方型魚礁(Vmax/V=0.64)。由此可見，圓臺型人工魚礁可產生較大的最大上升流流速。

(4)圓臺型魚礁的上升流最大高度Hmax與礁體迎流面投影面積S的比值(Hmax/S)為1.60，明顯大于底面邊長和礁高均為3m的金字塔型魚礁(Hmax/S=1.18)、邊長均為3m的三棱柱型魚礁(Hmax/S=0.96)、多孔方型礁(Hmax/S=1.15)和無孔方型礁(Hmax/S=0.88)。

此外，數值計算結果還顯示，在各流速條件下，上升流最大速度值均出現于圓臺型魚礁縱截面左側頂部端點(p25，-0.80,2.45,0)附近，即靠近流動分離點處。

表1　5種礁型的主要流場效應指標

綜上所述，迎流面投影面積對上升流的影響顯著。此外，礁體迎流面坡度也是主導因素之一。例如，方型魚礁迎流面的垂直結構阻流作用明顯，整體上不利于來流沿豎直方向的加速；三棱柱型礁坡度為173%，對來流的加速起緩解作用，而圓臺型礁與金字塔型礁的迎流面坡度在200%～400%之間，對來流加速的促進作用明顯，其Hmax/S優于其它3種礁型。其次，礁體開口也是影響上升流的主要因素，多孔方型礁的開孔緩解了礁體的阻流作用，提高了礁體透水性，不利于上升流的產生。但是，適當的開口尺寸反而有利于上升流最大速度的產生。圓臺型礁與多孔方型礁的開口結構增強了礁體的透水作用，不利于其上升流平均速度的提高，且圓臺型礁帶有弧度的迎流面形狀，使來流更易于向礁體兩側繞流。三棱柱型與金字塔型礁雖然沒有開口，但其迎流面的坡度結構更易產生較高的上升流平均流速。因此，礁體周圍的上升流高度及其平均速度受到礁體的迎流面坡度、迎流面形狀、迎流面投影面積及礁體開口等的綜合影響。

2.2.2 背渦流特性大量實驗研究表明，人工魚礁不僅產生上升流，而且在其背后部會產生背渦流，形成背渦區。人工魚礁背渦區的形成更易促使水層混合，豐富水體中的溶解氧和營養鹽，其影響效應與背渦區范圍及內部流態變化、漩渦大小與強度等因素有關。

如圖6所示，圓臺型人工魚礁的流動分離點位于上表面的前端。由于邊界層分離，在分離點下游的礁體壁面上不斷有不穩定漩渦產生，并從壁面脫落，形成典型的尾跡流，組成速度很小的背渦區。數值計算結果表明，隨著流速的增加，背渦區形態變化不大，即背渦流的結構幾乎不隨來流速度增加而改變，其背渦區長度均約為礁體高度的2.3倍，高度略大于礁體高度，約為礁體高度的1.2倍。

圖7為不同來流速度下在z=0截面上魚礁內部及背渦區的流速矢量圖。由于圓臺型人工魚礁的迎流面傾斜且帶有弧度，結合礁體表面縫隙的透水作用，其產生的漩渦更為復雜。如圖7所示，僅魚礁內部就形成了3個漩渦，魚礁內部的上半部分前端形成一個順時針漩渦，相鄰靠后部分形成一個逆時針漩渦，由于縫隙的透水性，來流進入魚礁內部，在魚礁下半部形成一個順時針漩渦。魚礁背渦區也形成了多個漩渦，其中一個順時針的大型漩渦幾乎貫穿整個背渦區。背渦區上部靠近礁體頂端處有一順時針小型漩渦，靠近魚礁底部則形成一個逆時針小漩渦。從背渦區的放大圖可以看出，圓臺型人工魚礁內部及背渦區流態復雜，形成多種漩渦，加劇了水層的混合。

圖7　不同來流速度下在z=0截面上圓臺型人工魚礁背渦區流速矢量圖

3　結論

本文基于CFD模擬技術，探討了圓臺型人工魚礁在不同來流速度下的流場流態。

(1)通過水槽模型實驗的初步驗證，可初步認為數值模擬結果能夠基本反應流場中礁體周圍流態變化，滿足圓臺型人工魚礁流場效應的研究需要。

(2)圓臺型人工魚礁產生的上升流最大高度、上升流最大高度與礁體迎流面投影面積比、上升流最大速度與來流速度比、上升流平均速度與來流速度比等主要特征參數幾乎均不隨來流速度的增加而改變。其中，上升流最大高度約為魚礁高度的2.14～2.17倍，上升流最大高度與礁體迎流面投影面積比約為1.60，上升流最大速度與來流速度比約為0.76，上升流平均速度與來流速度比約為0.125。而且不同來流速度下上升流最大速度都出現于(-0.80,2.45,0)附近，靠近流動分離點。魚礁迎流面坡度、投影面積、形狀及開口等都是影響上升流流態的重要因素。

(3)不同來流速度下，背渦流的結構幾乎不隨來流速度增加而改變。圓臺型魚礁背渦區長度均約為礁體高度的2.3倍，背渦區高度約為礁體高度的1.2倍，且流態復雜、漩渦多變。

綜上所述，圓臺型人工魚礁在與其它4種主要礁型的相比具有一定優勢，可為今后人工魚礁的投放提供一種有效的礁型選擇，但今后有待于對其礁體穩定性及組合礁的流場流態等進行更為全面、深入的研究。

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責任編輯朱寶象

Numerical Simulation of the Flow Field Around the Truncated-cone Shaped Artificial Reef

LAN Xiao-Zheng, WAN Rong, TANG Yan-Li, HUANG Liu-Yi, ZHAO Fen-Fang,BAO Wei-Guang, LIU Chang-Dong, WANG Zhao-Lei

(College of Fisheries, Ocean University of Chain, Qingdao 266003, China)

Artificial reefs, built in the proper sea area, change the flow pattern of local waters thus improving the biological environment and the environment of fish habitat, which promote the restoration of fishery ecological environment and achieve the proliferation of fishery resources. Therefore, the effect on the flow field made by artificial fishery reefs is the basis of their effect on the ecosystem. The flow field is mainly affected by the shape of the artificial reefs. It is important to have a good understand on the hydrodynamic characteristics of various reefs for the shape-selection in the designing plan of artificial reefs. In the present work, the flow field around the truncated-cone shaped artificial reef was numerically simulated to investigate its hydrodynamic characteristics by means of CFD software FLUENT (a special software package for the computational fluid mechanics) under five incoming velocities (0.1, 0.2, 0.4, 0.6 and 0.8 meter per second respectively). And then, flume experiments were performed with the models of selected shape. Comparison between numerical and experimental results showed that the relative error was within twenty percent for more than eighty percent of measuring points. It may be concluded that the results of numerical simulation were reliable. Analyses of the maximum velocity of the upwelling current, the maximum upwelling height, average velocity of the upwelling current and other parameters of the truncated-cone shaped artificial reef, single-bodied, immersed in the flow field, were comparable with those of pyramid , three-prism , porous square and square artificial reefs. We discussed and analyzed also the wake vortices of the truncated-cone shaped artificial reef. The generation and pattern of flow separation, upwelling and vortex development were observed as the water flows past the artificial reefs. It was found that this was a typical flow around a bluff body including complicate nonlinear procedure. The numerical results obtained showed that the maximum upwelling height was 2.14～2.17 times of the reef height; the maximum and average velocities of the upwelling current were 0.76 and 0.125 times of the incoming velocity, respectively; and the length of the back vortex region was about 2.3 times of the reef height. In comparison with the other four types of artificial reefs including pyramid-shape, triangular prism and a square column with or without openings, it was found that the truncated-cone shaped artificial reef had a fairly good performance in most aspects of flow parameters. The wake vortices vary swiftly, which may lead to a complicated flow pattern in the wake of truncated-cone shaped artificial reef. It was expected that this type of artificial reef has a good prospect in the future application.

truncated-cone shaped artificial reef; hydrodynamic characteristics; numerical simulation; flume experiment

山東省科技發展計劃項目(2011GHY11524)資助

2015-04-20；

2015-11-01

蘭孝政(1988-)，男，碩士生。E-mail: ls-lxz@163.com

**通訊作者：E-mail：rongwan@ouc.edu.cn

S911

A

1672-5174(2016)08-047-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20150149

Supported by the Science and Technology Development Project of Shandong Province(2011GHY11524)