六角型人工魚礁流場效應試驗研究

劉揚 黃國興

摘 要：本研究利用物理模型試驗和粒子圖像測速（PIV）技術，對六角型人工魚礁在不同流速下的流場效應進行研究。研究表明，單體魚礁上升流的最大流速和平均流速隨來流速度增大而增大，單體魚礁上升流最大流速為來流速度的35.4%～47.5%，上升流區域的高度及面積隨來流速度增加有所減小。單體魚礁后側有小規模回流形成。

關鍵詞：人工魚礁;流場效應;數值模擬;粒子圖像測速

中圖分類號：U64? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0060-03

在海洋牧場的建設過程中，人工魚礁是其中主要的人工構造物，常采用開孔異型混凝土結構或框架式鋼結構。人工魚礁投放后，將受到潮流、波浪等自然水動力因素的作用，并對原海域周圍的流場產生影響。人工魚礁會對水流起到阻礙作用，在礁體前方形成局部的上升流。上升流可以將海底的營養物質帶到上層海域，促進上下層水體間營養物質的交換，提高礁區附近海域營養物質濃度，有利于魚群聚集覓食。國內研究人員對多種形式的人工魚礁已有研究，包括實心方型[1] 、正方型、金字塔型、三棱柱型[2] 、梯形臺型[3] 、方型[4] 、星形體型、復合型、圓管型[5] 等多種形式，但現有人工魚礁的流場效應遠未達到理想的程度。研發具有優質流場效應的新形式魚礁，成為海洋牧場建設重要的研究熱點問題之一。

六角型人工魚礁是一種新型魚礁結構形式，由六邊形多層結構框架、傾斜導流板和支撐腳組成。六角型人工魚礁整體的透水性較好，有減弱大渦結構生成的可能;其支撐腳結構使礁體與水底存在一定距離，可以減弱礁體對水域底部流場的改變;其結構形式高度對稱而具有良好的方向適應性;結構的內部空腔較大，上升流的形成與發展可能更為平緩。上述設計理念需要深入研究加以確認。本文針對六角型人工魚礁流場效應開展研究，采用物理模型試驗的方法，基于粒子圖像測速技術（PIV），測量了不同來流速度下六角型人工魚礁的流場。定量分析六角型魚礁的流場效應，為人工魚礁推廣應用提供基礎依據。

1 人工魚礁物理模型試驗

1.1試驗設備和測試儀器

1.1.1試驗水槽和造流系統

六角型人工魚礁物理模型試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的PIV水槽中進行。試驗水槽長24.00m，寬0.45m，高0.60m。試驗水槽的一端配有水箱和造流系統，可以通過調節造流裝置的電機頻率以改變來流速度，對應穩定的可造流速度的范圍為0m/s～0.25m/s。

1.1.2 PIV試驗流場測試系統

PIV試驗布置原理及拍攝區域如圖1所示，高速攝像機架立在拍攝窗口前，激光片光從水槽底部照射待測流場的切面區域。示蹤粒子采用平均粒徑為10微米的空心玻璃微珠。試驗相機采用高速攝像機（photron），最大分辨率為1024×1024像素，在此分辨率下的最高拍攝幀率可達7000幀，實驗幀率選取為250幀。

1.2相似準則與模型設計

1.2.1相似準則與幾何比尺選擇

六角型人工魚礁采用六邊形框架結構，由多層結構框架、傾斜導流板和支撐腳組成。六角型人工魚礁原型及尺度參見圖2。考慮試驗所采用的水槽尺度及邊界的影響，按照重力相似準則進行模擬，選取試驗模型幾何比尺為。

1.2.2模型設計與制作

六角型人工魚礁模型的多層框架結構采用透明樹脂材質通過3D打印完成，然后拼裝成整體框架;其十八塊傾斜導流板采用透明亞克力材質，粘接在六角型人工魚礁的多層框架結構上，見圖3。

1.3? 模型在水槽中的布置

魚礁模型設置在水槽中心附近，魚礁右邊界距離右側來流進口4.75m（約44倍礁體直徑）;魚礁中心距離兩側水槽邊壁均為0.225m（約2倍礁體直徑）;魚礁模型高度h=0.067m，試驗水深d=0.4m，相對淹沒深度（d-h）/d=0.8325。

2 人工魚礁流場試驗結果分析

2.1流場試驗結果

速度矢量形態及特征

圖中可見，由于六角型人工魚礁的透水特性，魚礁前方來流基本未發生變化，但在魚礁前側頂部的一部分來流明顯地產生了垂向速度，形成一定規模的上升流，可認為魚礁的多層框架結構透水性較好。試驗結果無法顯示魚礁內部的流場形態，但可以從魚礁頂部的大規模上升流的出現判斷水流在魚礁內部空腔處發生摻混并產生了垂向速度。水流在穿過礁體結構后，于魚礁后部下方形成了一股下降的水流，在魚礁后部上方形成了小規模的回流區域，該處區域位于魚礁的后側頂部導流板后方，具有明顯的旋渦結構。

2.2人工魚礁對流場影響的定量分析

2.2.1上升流區域

上升流產生于魚礁前側的頂部導流板，上升流的主體部分產生于魚礁中心頂部，且上升流的最大垂向速度出現于后側頂部導流板的上方，整體區域呈鈍角三角形。將上升流區域擬定為垂向速度分量與來流速度之比大于或者等于10%的區域。采用上升流區域的最大高度和上升流區域的面積來描述上升流的規模，而采用上升流區域內的最大垂向速度及平均垂向速度來描述上升流的強度。記為上升流區域的最大高度，為上升流區域的面積;為上升流區域內的最大垂向速度，為上升流區域內的平均垂向速度，分析結果匯總于表1;

2.2.2 回流區域

魚礁后側出現大面積緩流區域，同時有小面積的回流區域。回流區域內的速度矢量與來流方向相反，最大水平向流速約為來流速度的20%，區域面積大約與單個導流板的水平方向投影面積相當。定義水平向速度與來流速度相反區域為回流區域，采用面積S和平均流速u來描述緩流區域的規模與強度，具體數據如表2所示;

從表中可以看出，隨來流速度的增大，回流區域的面積和平均流速均增大，平均流速為來流速度的11.3%～17.1%;

4 結論

六角型人工魚礁具有透水特性。透水特性可以有效地減小魚礁對原有水動力環境的影響，在水流通過魚礁時結構整體無顯著的固定邊界剝離點，從而有效地減少了大渦結構的形成。在垂向上，水流可以順暢通過結構內部空腔并充分摻混，有利于上升流的形成與發展。因此六角型人工魚礁更易于構造適宜魚類生存的柔和流場。

（1）六角型人工魚礁周圍的流場結構較為穩定，隨時間變化較小，隨來流速度的增加變化較小，流場效應穩定且無大渦結構的產生。

（2）六角型人工魚礁的上升流區域集中于魚礁內部空腔處，最大流速為來流速度的35.4%～47.5%;六角型人工魚礁后側由小規模回流形成，平均流速為來流速度的11.3%～17.1%。

參考文獻：

[1] 張碩，孫滿昌，陳勇.不同高度混凝土模型礁背渦流特性的定量研究[J].大連水產學院學報，2008，23（4）：278-282.

[2] 劉洪生，馬翔，章守宇，等.人工魚礁流場效應的模型試驗[J].水產學報，2009，33 （2）：229-236.

[3] 于定勇，趙偉，王逢雨，等.不同布設間距下梯形臺人工魚礁體的水動力特性研究.海洋與湖沼.2020，51：283-292.

[4] 付東偉，陳勇，陳衍順，等.方形人工魚礁單體流場效應的PIV試驗研究[J].大連海洋大學學報，2014，29（1）：82-85.

[5] 劉彥.人工魚礁水動力特性數值與實驗研究[D]：（博士學位論文）.大連：大連理工大學，2014.