不同開口形式方型人工魚礁的水動力特性數值模擬研究

毛海英,胡 聰,王逢雨,王 莉

(1.廣西科技大學 土木建筑工程學院,廣西 柳州 545000; 2.水電水利規劃設計總院,北京 100120; 3.中國海洋大學 工程學院,山東 青島 266100; 4.商丘工學院 土木工程學院,河南 商丘 476000)

引 言

隨著我國經濟的高速發展,海水養殖業得到了迅速發展,但也導致了漁業資源的急劇衰退,因此加快建設新型海洋牧場[1-3]已成為調整漁業產業結構、新舊動能轉換、促進漁業一二三產融合發展、推動企業轉型升級的重要抓手。人工魚礁作為海洋牧場的重要組成部分,具有改善海洋生態環境、誘集和增殖魚類的功能[4-7]。因此,通過向海域投放人工魚礁已成為一種提高漁業資源的有效手段。

人工魚礁體的投放會改變礁體周圍的流場特性,在礁體周圍會產生上升流和背渦流,從而引起營養鹽等物質的沉積改變及上下層水流的交換。目前,國內外學者針對人工魚礁周圍的水動力特性已經做了許多研究工作,研究方法主要有水槽模型試驗、數值模擬等方法。在研究的初期主要采用水槽實驗來觀察魚礁周圍的水動力特性[8-9]。隨著計算機的發展,計算流體力學(CFD)開拓了人工魚礁體周圍水動力特性研究的新方法[10-12]。國內研究人員針對框架型與沉箱型[13]、塔型桁架[14]、方形[15]、米字型[16]、雙層十字翼型[17]人工魚礁體的流場特性、穩定性、阻力系數進行了研究分析,與實驗對比發現吻合性較好,能夠準確的描述人工魚礁體周圍的水動力特性。部分學者研究了單個礁體的開口比[18-20]、單個礁體的開口直徑[21]、多個礁體的布設間距及組合方式[22-23]等因素對人工魚礁體周圍流場特性的影響,為單個礁體構造、礁體組合方式布置的優化設計提供了參考。

國內外學者的研究表明人工魚礁體能夠有效地改善海洋生態環境、誘集和增殖魚類,主要從人工魚礁體的選型、迎流角度以及流場變化等方面進行單一開口比的研究,對于人工礁體不同開口形式、形狀下流場效應、阻力系數、礁體受力變化規律研究較少。本文研究方型人工魚礁體不同開口形式變化對其水動力特性的影響,給出不同開口形式下方型人工魚礁體的流場分布特征、上升流規模、阻力系數隨開口形式的變化規律,為實際礁體的設計選型提供參考。

1 數值模型

1.1 假設條件

為降低人工魚礁體周圍三維湍流計算的難度,作了以下幾個假設,具體如下:

(1)假設水是不可壓縮、粘性的牛頓流體;

(2)假設水為等溫流動,不考慮熱交換;

(3)假設水流動處于非穩定狀態。

1.2 控制方程

在計算粘性流體運動時采用RNGk-ε兩方程模型,此模型可以有效模擬分布較均勻、湍流結構較小的湍流流動,適合人工魚礁體流場效應的研究,其滿足以下控制方程:

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。

湍動能k方程:

(3)

湍流耗散率ε方程:

(4)

本文采用有限體積法離散控制方程,壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法,壓力項處理采用標準差分格式,各方程空間離散均采用二階迎風格式,計算殘差值取10-5,采用非結構化網格,通過數值模擬方型礁體水動力特性,研究海流作用下不同開口形式方型人工魚礁的水動力特性及其變化規律。

1.3 魚礁結構及邊界條件

開口比(φ)為各開口垂直于迎流面礁體投影面積與礁體迎流面面積之比,為研究不同開口形式下的水動力場,采用了邊長為3 m的方形人工魚礁體。研究中,選擇了兩方孔、四方孔、兩圓孔、四圓孔4種開口形式,每種開口形式下涉及3種開口比(0.1、0.2、0.3)。圖1為開口比為0.3的方型四圓孔人工魚礁體結構示意圖,流速取為0.8 m/s,分析人工魚礁體周圍流場特性、阻力系數的分布規律。

圖1 方型人工魚礁體結構4圓形(開口比為0.3)

假設流體是粘性、不可壓縮的,計算邊界條件的設置如圖2所示:

圖2 計算區域示意圖(單位:m)

(1)左側為入口邊界,設置平均流速為0.8 m/s速度入口邊界,設置邊界上各方向的速度矢量分量,并給出邊界上湍動能k和湍動能耗散率ε;

(2)右側為出口邊界,出口邊界設置為自由出流邊界條件;

(3)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;

(4)底面和礁體表面設置為無滑移壁面;

(5)計算域的兩側面設置為對稱邊界。

2 海流對人工魚礁體作用的數值模型驗證

文中選擇渦粘模型中的RNGk-ε兩方程模型,該模型屬于湍流非直接數值模擬方法中的Reynolds平均法(RANS),計算區域采用四面體非結構化網格形式。為對湍流模型選擇、參數設置的正確性以及網格有效性進行檢驗,選擇唐衍力[10]所建的邊長為0.15 m,開口比為0.22無底立方體人工魚礁進行數值模擬,該礁體頂面及側面均有直徑為0.04 m圓形開口,如圖3所示。礁體表面第一層邊界層網格高度為0.002 m,增長率為1.1,共設置12層。設定來流速度為0.5 m/s,測點相對位置分布如圖4所示[10],將計算結果與已有學者進行的水槽實驗和數值模擬結果進行對比,對比結果如圖5及表1所示。

表1 礁體阻力系數Cd實驗值與模擬值的比較

圖3 圓形開口的人工魚礁體模型圖

圖4 測點相對位置分布示意圖“○”點測點

圖5 測點流速的實驗值與模擬值的比較

根據上述對比結果可以看出,本文建立的數值模型所得到的測點流速及人工魚礁體的阻力系數和其他學者的物理模型實驗以及數值計算結果都吻合較好,這有力地證明了選擇本文方法建立數值計算模型進行海流作用下人工魚礁動力特性研究是可行的。

3 不同開口形式下方型人工魚礁的水動力特性研究

3.1 礁體流場特性分析

圖6和圖7分別是圓形開口和方形開口下y=1.5 m截面礁體內部及周圍的流場分布,圖中來流流速均為0.8 m/s,礁體邊長3 m。圖中可看出,在開口比較小時在礁體背面形成了流速較小的背渦區。當開口比和開口形狀相同時,方形開口下礁體內部及背部會有大部分的流速較小區域,而圓形開口下礁體內部及背部水流交換都較為順暢,因此在相同的情況下應優先考慮圓形開口形式。

圖6 圓形開口下速度矢量圖

圖7 方形開口下速度矢量圖

圖8和圖9分別是開口形狀相同時上升流最大高度、上升流體積分布圖。研究中,對于上升流區域的定義采用何文榮等[11]提出的概念,即礁體附近豎直方向速度分量大于或者等于來流流速的5%的區域。從圖中可知,隨著開口比的增加,由于開口部分的分流作用,礁體的流管效應減弱,從而呈現上升流的最大高度和上升流的體積都減小的趨勢。在方形開口下,開口比相同時,2個方形開口時礁體周圍上升流最大高度下降的速度要緩于4個方形開口的情況,而開口個數的變化對于上升流體積的影響較小。在圓形開口時,隨著開口比的增大,2圓形開口礁體周圍上升流的最大高度和上升流體積減小程度要大于4個圓形開口的情況。

圖8 開口形狀相同時上升流最大高度

圖9 開口形狀相同時上升流體積

圖10和圖11分別是開口個數相同時上升流最大高度、上升流體積分布圖。由圖可知在各開口比下,在開口個數相同時,圓形開口時的上升流最大高度和上升流體積均優于方形開口形式。當開口個數為2個時,隨著開口比的增加,圓形開口時上升流最大高度和上升流體積下降速度較快;而在4開口的情況下,相應開口比的情況下,二者的下降速度明顯放緩,尤其是4個圓形開口時上升流體積明顯大于2個圓形開口。

圖10 相同開口個數時上升流最大高度

圖11 相同開口個數時上升流體積

3.2 人工魚礁水動力系數研究

礁體阻力系數是表征人工魚礁體穩定性的重要參數。已知礁體的阻力系數,其在水下抗滑移、抗傾覆安全系數便可通過計算求得。本文數值模擬中僅考慮礁體在來流速度不變時的受力情況,從而獲得阻力系數,其中阻力系數可通過以下公式求得:

(5)

式中,F為礁體沿水流方向受力(N);ρ為海水密度(kg/m3);A為礁體迎流面積(m2);u為水流速度(m/s)。

圖12和圖13分別給出了在圓形開口、方形開口下方型人工魚礁的阻力系數變化曲線。在四種開口形式下,阻力系數均隨著開口比的增大而增大,但是在方形和圓形開口形式下呈現了一定的差異性。圓形開口形式下,2圓開口和4圓開口在3種開口比形式下阻力系數差值較小,且阻力系數維持在較高水平。方形開口下,隨著開口比的增加,4方開口的水阻力系數與2方開口的差值逐漸增大,2方開口的水阻力系數增加緩慢且基本維持在1.5以下。

圖12 圓形開口下的阻力系數

圖13 方形開口下的阻力系數

4 結論

人工魚礁體的流場效應及水動力系數是評價礁體性能的重要指標。魚礁投放后形成的上升流、渦流等多種流態,將使海底深層的營養鹽類帶到光照充足的上層,促進了浮游生物的繁殖,提高了海洋的初級生產力,從而引起魚礁周圍生態環境的改變及大量魚類的聚集。本文以方形人工魚礁體作為研究對象,采用計算流體力學的方法(CFD)對不同開口形式下人工魚礁體周圍的水動力特性進行了研究,得到以下結論:

(1)在流場分布方面:當開口比和開口形狀相同時,方形開口下礁體內部及背部會有大部分的流速較小區域,而圓形開口下礁體內部及背部水流交換都較為順暢,因此在相同的情況下應優先考慮圓形開口形式。

(2)開口形狀相同時,上升流最大高度和上升流體積方面:隨著開口比的增加,上升流的最大高度和上升流的體積都有減小的趨勢;2方形開口時礁體周圍上升流最大高度下降的速度要緩于4方形開口的情況,而開口個數的變化對于上升流體積的影響較小;2圓形開口礁體周圍上升流的最大高度和上升流體積減小程度要大于4圓形開口的情況。

(3)開口個數相同時,上升流最大高度和上升流體積方面:圓形開口時的上升流最大高度和上升流體積均優于方形開口形式;當開口個數為2時,隨著開口比的增加,圓形開口時上升流最大高度和上升流體積下降速度較快;而在4開口時,相應開口比的情況下,二者的下降速度明顯放緩,尤其是4圓形開口時上升流體積明顯大于2圓形開口。

(4)人工魚礁水動力系數方面:4種開口形式下,阻力系數均隨著開口比的增大而增大,但是在方形和圓形開口形式下呈現了一定的差異性;圓形開口形式下,阻力系數差值較小,且阻力系數維持在較高水平;方形開口下, 4方開口的水阻力系數與2方開口的差值逐漸增大。