水流作用下人工魚礁二維流場PIV試驗研究

王一帆

摘 要：目前，人工魚礁已經大量投入使用，科學家對人工魚礁是否開孔、開孔大小、開孔間距、開孔疏密進行了研究，取得了不錯的進展。本文利用粒子圖像測速法（簡稱PIV）對人工魚礁二維流場進行研究，通過研究開孔大小不同的方形人工魚礁在周圍水流速度相同的情況下，水對其沖擊力的大小和渦量大小的變化，探究更利于魚類生存的人工魚礁。本次試驗研究用solidworks繪制出無孔、占比0.1倍、占比0.17倍的有孔魚礁模型圖;用3D打印技術將魚礁模型打印出來;搭建光路板，連入CCD高速攝像機拍攝圖像;通過Microvec mini軟件對數據進行相關計算;將計算結果導入tecplot繪制速度場渦量場圖像，進行數據分析。結論：開孔的魚礁比不開孔魚礁能更好的分散水流，減緩流速，減少渦量;占比0.1倍有孔魚礁比占比0.17倍有孔魚礁能更好的緩解流速，減少渦流。魚礁開孔有分散水流、減緩流速的作用。孔徑大小合適的魚礁既能很好緩解流速，又能很好的減少渦流。根據魚礁周圍流場參數可以指導魚礁的設計和優化布設魚礁群的優化布設，利于深海浮游植物生長和魚類棲息、索餌、繁殖，利于漁場修復和水域生態改善。。

關鍵詞：人工魚礁;PIV技術;開孔大小;流體力學

1研究背景及意義

人工魚礁是人為置于海底的構筑物，會在其布設周圍的一定范圍內形成上升流，將海底深層的營養物質帶到表層水面，促進浮游植物生長、吸引魚類覓食。由于其結構的復雜性，人工魚礁還能為魚類等提供相對安全的棲息環境和索餌繁殖場所，有利于幼魚和繁殖期魚類的棲息。在投放一定時間后，人工魚礁附近會形成穩定的生態環境，有利于漁場的自我修復。人工魚礁的形狀多種多樣，有方形、三角形、圓臺形、米字型、金字塔型等。人工魚礁投放方式有單體布設和多體布設等。對于如何更有效地設計和優化布設人工魚礁，也是現今建設海洋牧場的重要課題之一。人工魚礁還有利于保護生物多樣性。

計算流體動力學（CFD）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動等相關物理現象的系統所做的分析。通過此種數值模擬技術，可以得到所研究流場內各個位置上的基本物理量。目前，已經有李珺等三人在（2010）[1]采用數值模擬方法研究了布設間距對無孔實心方型人工魚礁周圍流場的影響;鄧濟通等（2013）[2]研究了布設間距對無孔三棱柱形人工魚礁周圍流場的影響;于定勇等（2019）研究了不同開口比的方形魚礁的水動力特性;黃遠東等（2012）研究了多孔方型人工魚礁周圍流態效應，尚未涉及開孔占比0.1倍、0.17倍多孔方形人工魚礁周圍流場效應。為探究開孔大小對多孔方型人工魚礁流場效應的影響，本研究基于粒子圖像測速法（簡稱PIV）技術，模擬無孔、開孔占比0.1倍、0.17倍三個魚礁單體周圍流態，研究結果將為魚礁的設計和優化布設提供理論依據。

2實驗研究

2.1實驗原理

2.1.1 PIV技術

PIV技術（Particle Image Velocimetry）又稱粒子圖像測速法，在流場中布撒大量示蹤粒子（粒徑小于 10 微米）跟隨流場運動（空氣中使用空心玻璃微珠或者液體小顆粒煙霧，本次實驗用的是直徑10微米鍍銀空心小球），把激光束經過組合透鏡擴束成片光照明流場，使用高速相機拍攝流場照片，得到的前后兩幀粒子圖像，對圖像中的粒子圖像進行互相關計算得到流場一個切面內定量的速度分布。進一步處理可得流場渦量、流線以及等速度線等流場特性參數。在已知的時間間隔 Δt 內，跟隨流體運動的示蹤粒子被由脈沖激光器發出，經過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 這兩個時刻同一顆粒微團的位移變化，從記錄所得顆粒圖像，根據速度的定義式就可以獲得顆粒群在 t1 時刻的運動速度分布：

一般地，在應用 PIV 技術時，有三個假設：

1. 示蹤粒子跟隨流體運動。

由于 PIV 技術是通過測量示蹤粒子的運動速度來測量流體運動速度，這就要求示蹤粒子相對于流體有很好的跟隨性。直徑d術是通過測的示蹤粒子與流體跟隨性比較好。

2. 示蹤粒子在流場中均勻分布。

如果示蹤粒子在流場中沒有均勻分布，則在粒子濃度過大或過小處容易產生明顯的錯誤向量。通過實施向量修正可以去除部分錯誤向量，但如果錯誤向量過多時，則無法完全去除。

3. 判讀區內具有唯一的速度。

在PIV測速技術中，高質量的示蹤粒子要求為：（1）比重要盡可能與實驗流體相一致;（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。通常在液體實驗中使用空心微珠或者金屬氧化物顆粒，空氣實驗中使用煙霧或者粉塵顆粒（超音速測量使用納米顆粒），微管道實驗使用熒光粒子等。PIV測速系統使用激光發射器，最高發射能量為800mj;采用CCD高速攝像機如圖4，拍攝幀數為200張/秒，其分辨率為3M，且圖像放大系數為0.64;示蹤粒子為10微米鍍銀空心小球;設置互相關分析的查問域大小為32×32像素。

2.1.2 solidworks

Solidworks是一款三維建模軟件;能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量。Solidworks不僅提供如此強大的功能，而且操作簡單方便、易學易用。使用Solidworks，整個產品設計是可百分之百可編輯的。本次實驗中利用Solidworks繪制作了三個開孔大小不同的魚礁模型。

2.1.3 Tecplot

Tecplot是一款功能強大的數據分析和CFD可視化處理軟件。它能按照您的設想迅速地根據數據繪圖及生成動畫，對復雜數據進行分析，并將您的結果與專業的圖像和動畫聯系起來。是繪圖和數據分析的通用軟件，對于進行數值模擬、數據分析和測試是理想的工具。作為功能強大的數據顯示工具，Tecplot通過繪制XY，2-D和3-D數據圖以顯示工程和科學數據。本次試驗研究用tecplot分析了從攝像機里傳出來的圖像。

2.1.4 3D打印

3D打印（3D printing），屬于快速成形技術的一種，它是一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術（即“積層造形法”）。過去常在模具制造、工業設計等領域制造模型，現正逐漸用于一些產品的直接制造。本次試驗中用這種技術來打印魚礁模型。

2.2實驗過程

設置單一流速以方形人工魚礁開孔大小為變量進行研究。先繪制魚礁模型圖，用solidworks畫長為30mm寬為20mm的長方形，再拉伸成高為20mm的長方體，做成無孔魚礁模型圖;然后在前后左右四個面上分別開占面積0.1倍的孔，完全貫穿，做成占比0.1倍有孔魚礁模型圖;由此類推，在無孔魚礁前后左右四個面上開分別開占面積0.17倍的孔，做成占比0.17倍有孔魚礁模型圖。如圖5.再利用3D打印技術將模型打印出來備用，如圖6.

再利用3D打印技術將模型打印出來備用，如圖將三種模型依次放入三維流場中，進行試驗。為了減小激光反射影響實驗結果，在魚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。在水槽右側放置激光發射器，前端放置CCD高速攝像機;依次將人工魚礁模型放置在水槽內，用雙面膠固定將魚礁模型于水槽靠近激光發射器一側，以獲得更加清晰的粒子運動軌跡圖像。

在水槽流場中布撒（直徑10微米鍍銀空心小球）示蹤粒子，適當攪拌，使示蹤粒子均勻散布，開始攪動水流，設定來流速度為0.5米/秒，待水流平穩后用脈沖激光片光源入射到所測流場區域中，調整CCD高速攝像機俯視拍攝角度，以能拍攝到水流的垂直面為止（拍攝幀數為200張/秒，圖像放大系數為0.64，），觀察二維流場，通過連續兩次或多次曝光粒子的圖像被記錄在PIV底片上或CCD高速攝像機上。通過Microvec mini軟件對數據進行相關計算，采用自相關法或互相關法，逐點處理PIV底片或CCD高速攝像機記錄的圖像，獲得流場速度及渦流場分布。最后將計算數據傳入tecplot，進行數據分析，繪制速度場渦流場圖像。

2.3結果與分析

速度圖像中紅色區域說明來流速度大，顏色越重，速度越大;藍色區域說明來流速度小，顏色越重，速度越小，綠色區域說明速度居中。渦量圖像中紅色區域速度為正矢量，藍色區域速度為負矢量，紅色與藍色同時出現的區域是渦流形成的圖像，紅藍區域的總面積說明渦流范圍，顏色對比越明顯，說明渦量越大。

對比速度圖及渦量圖可以得知水流繞過無孔魚礁時，魚礁背后會產生比較大的渦流，魚礁周圍的水流速度較大;水流繞過占比0.17倍的有孔魚礁，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魚礁過來的水流匯合后，形成較大的渦量;水流繞過占比0.1倍的有孔魚礁，從孔流出的水流較少，阻止了大部分水流，一方面減少了魚礁側邊的水流，降低了魚礁側流速，一方面孔中較少的水流匯合繞過魚礁的側水流，形成的漩渦渦量較小。

2.4討論與結論

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

結論：開孔的魚礁比無不開孔魚礁能更好的分散水流，減緩流速，減少渦量;開孔占比0.1倍有孔魚礁比開孔占比0.17倍有孔魚礁能更好的緩解流速，減少渦流。魚礁開孔有可分散水流，減緩流速的作用。孔徑大小合適的魚礁既能很好緩解流速，又能很好的減少渦流。根據魚礁周圍流場這些參數可以指導魚礁形狀的設計和優化布設魚礁群，利于深海浮游植物生長和魚類棲息、索餌、繁殖，利于漁場修復和水域生態改善。

參考文獻：

[1]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值實驗[D]. 上海海洋大學， 2010.

[2]于定勇，楊遠航，李宇佳，不同開口比人工魚礁體水動力特性及礁體穩定性研究[D]. 中國海洋大學， 2019.