趙 林，鄧 超，于振江，孫利元，涂 忠，鄭中強(qiáng)，常宗瑜

(1 中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3 山東省水生生物資源養(yǎng)護(hù)管理中心，山東 煙臺(tái)264000)

人工魚(yú)礁是海洋牧場(chǎng)的重要組成部分。人工魚(yú)礁投放海底后，魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)發(fā)生變化，會(huì)使得非通透性人工魚(yú)礁前部產(chǎn)生相當(dāng)量的局部上升流。上升流將底層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及沉積物帶起流動(dòng)，可促使海底有機(jī)物上升，有利于魚(yú)類(lèi)攝食，同樣也會(huì)在魚(yú)礁背部產(chǎn)生一個(gè)渦流區(qū)，渦流區(qū)產(chǎn)生低頻震蕩刺激魚(yú)類(lèi)定向游動(dòng)，這會(huì)產(chǎn)生集魚(yú)效果。另外，此區(qū)域流速較緩慢，可以對(duì)魚(yú)類(lèi)起到庇護(hù)、繁衍和棲息的作用[1-2]。人工魚(yú)礁的投放對(duì)于修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境、提高漁獲量有重要價(jià)值。

對(duì)于人工魚(yú)礁流場(chǎng)的研究主要有現(xiàn)場(chǎng)觀察、物理模型實(shí)驗(yàn)(風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[3-7]、水槽實(shí)驗(yàn)[8-11]及PIV觀測(cè)[1、12-14])和數(shù)值仿真模擬[15-30]3種手段。流體經(jīng)過(guò)人工魚(yú)礁后，在人工魚(yú)礁前部形成上升流區(qū)，人工魚(yú)礁中部形成紊流區(qū)，渦流區(qū)域形成分布于人工魚(yú)礁后部。Seaman[3]指出在魚(yú)礁的阻流作用下，人工魚(yú)礁下游的流場(chǎng)可分為3個(gè)區(qū)域：紊流區(qū)、過(guò)渡區(qū)和未受擾動(dòng)區(qū)。

人工魚(yú)礁周邊生態(tài)環(huán)境和漁場(chǎng)資源的改善與人工魚(yú)礁周邊水動(dòng)力環(huán)境密切相關(guān)。與方型人工魚(yú)礁及三棱柱型人工魚(yú)礁等相比，組合式金字塔型人工魚(yú)礁的表面積大，透空性好，因此本文選取組合式金字塔型人工魚(yú)礁進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)分析，為今后人工魚(yú)礁的選型提供一定參考。

1 組合式金字塔型人工魚(yú)礁結(jié)構(gòu)

組合式金字塔型人工魚(yú)礁(以下簡(jiǎn)稱金字塔型魚(yú)礁)如圖1所示，金字塔型魚(yú)礁的組裝如圖2所示，投放過(guò)程如圖3所示。此魚(yú)礁有著礁體表面積大、透空性良好及透水性充足等特點(diǎn)。本研究通過(guò)Fluent流體軟件，模擬分析不同來(lái)流速度下魚(yú)礁的擾流情況，獲得其在三維擾流下的流場(chǎng)分布情況，繪制金字塔型魚(yú)礁的紊流區(qū)三維立體分布圖。金字塔型魚(yú)礁體表掛滿圓形導(dǎo)流盤(pán)，由錳鋼作為魚(yú)礁的主要筋骨構(gòu)成的混凝土柱體拼接而成，整個(gè)人工魚(yú)礁占地100 m2,單個(gè)礁體500 m3，質(zhì)量26 t。該金字塔型魚(yú)礁長(zhǎng)寬高為5.4 m×5.4 m×4 m，同傳統(tǒng)的框架型魚(yú)礁、星型魚(yú)礁相比，具有產(chǎn)生流場(chǎng)復(fù)雜、尺寸適應(yīng)、結(jié)構(gòu)中空隙(開(kāi)孔、裂縫、壁和突起物等)高等特點(diǎn)。

圖1 組合式金字塔型人工魚(yú)礁

圖2 組合式金字塔型人工魚(yú)礁的組裝 圖3 組合式金字塔型人工魚(yú)礁的投放

流體計(jì)算區(qū)域大小如圖4所示，分區(qū)網(wǎng)格劃分如圖5所示。采用四面體網(wǎng)格與六面體網(wǎng)格同時(shí)存在的方式進(jìn)行網(wǎng)格分區(qū)劃分，靠近魚(yú)礁及魚(yú)礁尾流處網(wǎng)格采用加密四面體網(wǎng)格，其他區(qū)域采用較為稀疏的六面體網(wǎng)格劃分。外部六面體網(wǎng)格規(guī)格為120 mm，靠近魚(yú)礁區(qū)域采用不同網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。采用相同的來(lái)流速度0.2 m/s分析在水流方向上魚(yú)礁受到的力的變化情況(圖6)，選用四面體規(guī)格為20 mm進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，此時(shí)網(wǎng)格數(shù)目為489 579。

圖4 計(jì)算區(qū)域 圖5 網(wǎng)格劃分

圖6 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用的水流運(yùn)動(dòng)控制方程為定常、不可壓縮條件下的連續(xù)方程、N-S方程和RNGK-ε湍流模型。對(duì)于邊界條件，進(jìn)口采用均勻流速入口；出口采用自由出流條件；所有固體壁面采用無(wú)滑移條件。

對(duì)非穩(wěn)態(tài)的N-S方程作時(shí)間演算，得到以下方程。

動(dòng)量方程：

(1)

湍流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程：

(2)

其他變量φ輸運(yùn)方程：

(3)

在Fluent計(jì)算中采用RNGK-ε模型，使得附加項(xiàng)與時(shí)均值聯(lián)系起來(lái)，采用Simple算法進(jìn)行壓力速度耦合來(lái)求解運(yùn)算。

2 組合式金字塔型人工魚(yú)礁水動(dòng)力學(xué)特性分析

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)Fluent軟件模擬分析4種不同來(lái)流速度(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)下的金字塔型魚(yú)礁周?chē)S繞流場(chǎng)，重點(diǎn)分析魚(yú)礁周?chē)鲌?chǎng)分布特性以及上升流的特性。

2.1 紊流區(qū)特性分析

圖7為金字塔型魚(yú)礁在不同流速下形成的紊流區(qū)范圍。此區(qū)域是流速為0及流速沿X軸負(fù)方向?yàn)橹鞯膮^(qū)域?？梢钥闯觯S著流速的增加，紊流區(qū)的范圍并沒(méi)有明顯變化，而隨著入口流速的增加，周?chē)鲌?chǎng)的壓力數(shù)值變化范圍增加。從紊流區(qū)大小分布情況可以看出，隨著導(dǎo)流盤(pán)迎水面積的增加，導(dǎo)流盤(pán)后紊流區(qū)范圍變大，根據(jù)此特性可以按照不同需求調(diào)整導(dǎo)流盤(pán)角度。

2.2 上升流特性分析

圖8為金字塔型魚(yú)礁在不同流速下(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)的Z軸線0 m處截面Y方向上升流區(qū)域分布情況，在此處同樣取Y軸方向流速大于入口流速5%的區(qū)域?yàn)樯仙鲄^(qū)域，從圖中可以看出，在魚(yú)礁前方及后方均形成了明顯的上升流，在前部上升流區(qū)域大于后方上升流區(qū)域。通過(guò)魚(yú)礁定點(diǎn)Y方向軸線上的速度分布得到5種流速下上升流的高度均為6.13 m，即為魚(yú)礁高度的1.53倍。顯然，隨著魚(yú)礁迎水面積的減小及魚(yú)礁高度的增加，以及迎流面阻水作用的減小，金字塔型魚(yú)礁的上升流高度明顯小于方型人工魚(yú)礁和三棱柱型人工魚(yú)礁的上升流高度(無(wú)孔方型人工魚(yú)礁、多孔方型人工魚(yú)礁及三棱柱型人工魚(yú)礁的上升流高度與魚(yú)礁高度之比分別為2.63、2.68和2.88)，上升流速度最大的點(diǎn)出現(xiàn)于金字塔型魚(yú)礁的頂部區(qū)域。

2.3 渦流情況分析

圖9為金字塔型魚(yú)礁在不同流速下(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)下的三維渦量圖，由渦量分布可以看出隨著流速的增加，渦量的強(qiáng)度與范圍明顯增加。通過(guò)截取Z軸線-0.5 m處的XY截面來(lái)分析水平方向的渦量，由圖10看出，隨著流速的增加，水平方向渦量0.1的區(qū)域長(zhǎng)度加長(zhǎng)。渦量主要分布于導(dǎo)流盤(pán)后方區(qū)域；且越遠(yuǎn)離導(dǎo)流盤(pán)的地方，渦量越弱。渦量的豎直高度略高于魚(yú)礁高度，背渦區(qū)長(zhǎng)度與隨著流速的增加而增加。

圖7 不同入口流速下紊流區(qū)范圍

圖8 不同入口流速下上升流分布

圖9 不同入口流速下三維渦量分布

圖10 不同入口流速下Z軸-0.5 m處截面渦量分布

3 結(jié)論

采用計(jì)算流體軟件Fluent對(duì)不同來(lái)流速度(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)下的組合式金字塔型人工魚(yú)礁周?chē)娜S流場(chǎng)進(jìn)行研究，給出了金字塔型魚(yú)礁附近紊流區(qū)、上升流、渦量的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析得出如下結(jié)論： 1)渦量主要分布于導(dǎo)流盤(pán)后方區(qū)域，且越遠(yuǎn)離導(dǎo)流盤(pán)的地方渦量越弱；2)不同來(lái)流速度下，上升流的最大高度約為魚(yú)礁高度的1.53倍，魚(yú)礁渦量區(qū)的高度約為魚(yú)礁的高度，背渦區(qū)的長(zhǎng)度隨著水流速度的增加而增加；3)不同流速下，紊流區(qū)的范圍與大小基本不變。通過(guò)與其他類(lèi)型的人工魚(yú)礁流場(chǎng)與數(shù)值參數(shù)對(duì)比，如與多孔方型人工魚(yú)礁和三棱柱型人工魚(yú)礁在流場(chǎng)效應(yīng)上相比，金字塔型人工魚(yú)礁上升流高度明顯小于前兩種魚(yú)礁。組合式金字塔型人工魚(yú)礁在流場(chǎng)環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的上升流及較復(fù)雜的紊流，紊流區(qū)的范圍比較穩(wěn)定，為喜歡流速緩慢區(qū)域的魚(yú)類(lèi)提供了適宜的生存空間，同時(shí)，組合式金字塔型人工魚(yú)礁空方比較大，能為魚(yú)類(lèi)提供更好的庇護(hù)作用。

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