梯型臺人工魚礁體流場效應數值研究?

2020-11-04 01:01:04于定勇王逢雨張彩霞謝雨嘉

中國海洋大學學報(自然科學版) 2020年12期

于定勇，王逢雨，張彩霞，謝雨嘉

(中國海洋大學工程學院，山東青島 266100 )

隨著近海漁業資源的不斷枯竭，通過建設人工魚礁體來發展大規模的海洋牧場已成為一種有效的豐富漁業資源手段。

人工魚礁體作為海洋牧場的重要組成部分，是通過在海中設置構造物，改善海域生態環境，營造海洋生物棲息的良好環境，為魚類等提供繁殖、生長、索餌和庇敵的場所，實現保護、增殖和提高漁獲量的目的。

Granneman 等[1]通過對比加利福尼亞南部5組人工魚礁體和天然魚礁在集魚效果方面的差異分析，發現人工魚礁體和天然魚礁在魚類豐富度方面沒有顯著差異，但人工魚礁體在魚類密度和生物復雜程度方面趨于偏高。

Li等[2]通過數值模擬和PIV實驗研究了5種不同來流速度和3種不同布置組合情況下圓管型人工魚礁體周圍的流場效應，并發現上升流和背渦流的強度和規模均隨著礁體數量的增加而增強。

姜昭陽[3]基于CFD方法和PIV技術研究了單孔、多孔方型人工魚礁體和梯型臺人工魚礁體各斷面壓力分布、流場效應和礁體的受力情況，發現由于方型和梯型臺迎流面與來流方向夾角的差異，方型礁體對來流的阻力要強于梯型臺礁體，所產生的流場范圍相對梯型臺人工魚礁體較為廣泛。

劉同渝[4]通過水槽和風洞實驗研究了梯型臺、半球型、三角錐體、堆疊式人工魚礁體的流場效應，發現水流經過魚礁體時會在其兩側形成上升流和背渦流，且上升流區范圍約為魚礁體的1/3，背渦流距礁體漸遠漸弱；從流場效應看堆疊式人工魚礁體最佳，梯型臺人工魚礁體次之。

龐運禧等[5]通過數值方法分別模擬了透空率為20%的箱型、梯型臺、三棱體多孔空心人工魚礁體在不同來流速度和布設工況下的流場過程。結果表明同種模擬工況下人工魚礁體以90°擺放時形成的上升流和背渦流規模強度達到最大；單礁體時箱型魚礁體產生的流場效應更佳。

馬荍灃[6]等通過選取k-ε湍流模型的數值方法分別模擬了不同開口比的單體人工魚礁，發現開口單體人工魚礁的流場效應明顯優于不開口的單體實心魚礁，但開口不應過大，在單孔魚礁情形下，開口比為0.04時流場效應最優。

由上述研究工作可知，國內外學者對人工魚礁體的研究主要集中于單一開口比情況下人工魚礁體周圍流場形態隨海流流速、魚礁體形狀、魚礁體迎流角度等方面的變化，但對梯型臺人工魚礁體的研究及其流場效應隨開口比和海底坡度的變化情況尚缺乏研究，而已有研究工作[7-8]表明魚礁體開口比和海底坡度變化對上述流場特性有一定的影響。本文利用Fluent軟件模擬了不同工況下梯型臺人工魚礁體流場過程，旨在探究魚礁體流場效應受開口比和海底坡度變化的影響程度，為實際魚礁體結構的設計提供參考。

1 數值模型及魚礁體結構

1.1 控制方程

假設魚礁體附近的流場為粘性不可壓縮流體的湍流運動，溫度變化不大，因此能量方程可以忽略。

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：ui(i=1，2，3)分別為x、y、z方向的雷諾平均速度；ρ為流體密度；p為壓強；ν為運動粘性系數；fi為體積力。

1.2 湍流模型

本文采用RNGκ-ε兩方程湍流模型，該模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動；選用標準壁面函數法處理近壁區內及Re數較低的流動[9]。

湍動能κ方程：

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

其中：

Prandtl數：ακ=αε=1.39；

熱膨脹系數：β=0.012;

1.3 魚礁體結構及模擬計算區域

魚礁體4個側面開口形式相同，開口比(φ)定義為魚礁體迎流面在垂直于水流方向上開口的投影面積與迎流面投影面積之比[7]。圖1為開口型梯型臺人工魚礁體結構示意圖。

圖1 梯型臺人工魚礁體結構示意圖

本文選取的梯型臺人工魚礁體下底面為3 m×3 m、上底面為1.8 m×1.8 m、高為2 m、開口比φ分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；海底坡度分別為θ1=0°、θ2=1.15°(tanθ2=1/50)、θ3=1.91°(tanθ3=1/30)、θ4=5.71°(tanθ4=1/10) 的海域，為研究海底坡度的影響，分別考慮了θ5=10°、θ6=20°兩個較大的坡度。設魚礁體下底面長度為L，寬度為W，礁高為H，計算域設定長度為魚礁體前4L、礁后6L、寬度為6W、高度為5H[10]；加密區設定尺寸為5L×3W×3H[11]；流速取值為0.8 m/s(見圖2)。

圖2 計算區域

本文所設定的初始邊界條件：

(1)入口邊界設置為速度入口，來流速度為0.8 m/s，并設定邊界上湍動能和湍動耗散率；

(2)出口邊界設置為自由出流；

(3)計算域的兩側面設置為對稱邊界；

(4)計算域的頂面設置為具有與入口水流相同速度的可移動壁面，剪切力為零，底面和魚礁體表面設置為無滑移壁面。

2 模型可靠性驗證

2.1 數學模型驗證

為了驗證本文湍流模型、參數設置和網格劃分的準確性，選擇姜昭陽[3]建立的4個側面均開有直徑D=3.5 cm的圓形開口，壁厚為1.2 cm，上底面邊長a=6 cm，下底面邊長b=10 cm，礁高h=7 cm的梯型臺人工魚礁體進行數值模擬，如圖3所示。

圖3 梯型臺人工魚礁體

本文使用ANSYS Workbench 【Mesh】模塊對計算域進行四面體單元非結構化網格劃分。數學模型中加密區網格尺寸為0.01 m，其他計算域網格尺寸為0.02 m，來流速度為0.212 3 m/s，表1給出了模擬結果與姜昭陽[3]的PIV實驗結果和數值模擬結果的對比。

表1 礁體阻力結果對比

由表1可知，本文的魚礁體阻力數值模擬值與姜昭陽[3]PIV實驗值較為接近，表明本文的數值模擬是可行的，結果是可信的。

2.2 網格收斂性驗證

為了減小在數值模擬中由網格尺寸所致影響，選取開口比為0.3的梯型臺人工魚礁體進行模擬。加密區網格尺寸為0.250 m，其他計算域網格分別為0.900、0.700、0.500、0.300 m，網格收斂性驗證以礁體阻力系數為變量，結果如表2所示。

表2 不同網格尺寸模擬結果

由表2可得，當網格尺寸為0.500 m時，礁體阻力系數值較為穩定，網格收斂性較好。考慮計算效率，本文加密區網格尺寸設置為0.250 m，其他計算域網格尺寸設置為0.500 m。

3 數值結果

基于上述模型，模擬了7種開口比、6種海底坡度梯型臺人工魚礁體周圍水流場，并重點分析魚礁體的上升流水平長度、最大高度、豎向最大速度和背渦流水平長度、水平寬度、最大高度的變化。

3.1 流場效應隨開口比變化

本研究中上升流區域定義為水流z方向速度與來流速度之比大于或等于5%的水域[12]。背渦流區域定義為水流x方向速度小于0的水域[13]。

圖4分別給出了來流速度為0.8 m/s時，7種不同開口比魚礁體在海底坡度為0、y=1.5 m截面上的上升流區域分布圖。圖5給出的是魚礁體上升流體積與開口比的關系。由圖4、5可知：當開口比為0時，魚礁體上升流體積最大。隨著魚礁體開口比的增大，來流受到魚礁體開口的分流增多，上升流體積逐漸減小。通過最小二乘法擬合可得魚礁體上升流體積(y)與開口比(φ)的關系式為:

y= -268.9φ+ 202.0。

(5)

表3中Hu-max/H為魚礁體產生的上升流最大高度與礁高之比，Lu-max/L為上升流水平長度與礁長之比，Vz-max/V為上升流區豎直方向最大速度與來流速度之比。由表3可知，隨著魚礁體開口比的增大，由于分流作用的影響，上升流最大高度和豎向最大速度均逐漸減小；當魚礁體開口比為0.2時，其所產生的上升流最大高度約為魚礁體高度的2.75倍，這與姜昭陽[3]得出的數模結果相近；而上升流水平長度呈現先增大后減小，當開口比為0.3時達到最大值；由于梯型臺人工魚礁體迎流面與水平來流存在一定夾角，阻水作用小于單孔方型人工魚礁體，因此，魚礁體迎流面對水平來流起到一定的加速作用，其所產生的上升流豎向最大速度大于單孔方型人工魚礁體，對海底營養物質向上傳輸以及吸引魚群具有積極的作用。

圖4 不同開口比魚礁體y=1.5 m平面上升流區分布圖

圖5 魚礁體上升流體積與開口比的關系

表3 不同開口比變化對上升流特性參數的影響

圖6給出的是來流速度為0.8 m/s時，7種開口比魚礁體在y=0 m截面上的速度矢量分布。由圖可知，開口比為0時，魚礁體后方產生一個順時針的漩渦，此區域一般稱為背渦區，隨著開口比的增大，漩渦逐漸消失；其他當開口比由0變化到0.1時，魚礁體周圍速度矢量分布較為復雜；當開口比大于0.4時，由于魚礁體開口透水作用增強，速度矢量趨于平行，因而沒有明顯的背渦區。

表4中Hv-max/H為魚礁體產生的背渦流最大高度與礁高之比，Lv-max/L為背渦流水平長度與礁長之比，Wmax/W為背渦流水平寬度與礁寬之比。當魚礁體開口比為0.1時，其背渦流最大高度和水平寬度最大，水平長度略小于開口比為0時的值；當魚礁體開口比為0時，其背渦流水平長度約為礁長的2.33倍，這與劉同渝[4]得出的背渦流水平長度為礁長的2～3倍相一致；隨著魚礁體開口比的增大，圓孔分流作用增強，其背渦流水平長度及水平寬度逐漸減小。

圖6 不同開口比魚礁體y=0 m平面速度矢量分布

表4 不同開口比變化對背渦流特性參數的影響

3.2 流場效應隨海底坡度的變化

海底坡度是人工魚礁區選擇的重要因素之一，它可影響魚礁體周圍的流場效應以及礁體的穩定性。通常人工魚礁體投放的海域海底坡度為0～5°左右，本文為研究海底坡度對魚礁體周圍流場效應的影響選取開口比分別為0.1、0.3、0.5的梯型臺人工魚礁體，假定海底平坦，將魚礁體放置于海底坡度分別為θ1=0°、θ2=1.15°(tanθ2=1/50)、θ3=1.91°(tanθ3=1/30)、θ4=5.71°(tanθ4=1/10) 的海域，為研究海底坡度的影響，分別考慮了θ5=10°、θ6=20°兩個較大的坡度。

圖7 海底坡度示意圖

由表5～10可得，在相同海底坡度下，上升流和背渦流特性參數與開口比的關系和上文保持一致；當魚礁體開口比不變時，隨著海底坡度的增加，魚礁體產生的上升流最大高度、水平長度和豎向最大速度均逐漸增大；當開口比為0.5、海底坡度為5.71°時，對應的上升流最大高度約是海底坡度為0時的1.72倍，流場效應更佳；而魚礁體產生的背渦流范圍幾乎不受海底坡度的影響。