不同投放方式下星体型人工鱼礁流场的数值模拟

不同投放方式下星体型人工鱼礁流场的数值模拟

0人工鱼礁流场效应目前，人工鱼礁已成为海洋牧场建设的重要组成部分，引起了人们的关注。人工鱼礁是人为在海中投放的构造物,可为海洋生物提供一个良好的栖息、生长、繁育的场所。人工鱼礁投放到海域后会产生饵料效应和流场效应,改变周围的海域环境。星体型人工鱼礁是20世纪80年代在中国投放使用的一种礁型,经过20多年的使用,发现星体型人工鱼礁结构稳定,附着生物效果显著且附着生物在礁体各个面上附着均匀,因此,星体型人工鱼礁可以作为海洋牧场建设的一种有效礁型。对于人工鱼礁流场效应的研究,日本走在世界的前列。日本学者Uekit、Nakamura和Hideshima对人工鱼礁着底冲击力和海底礁各种地形产生的涌升流进行了研究。国内对于人工鱼礁流场效应的研究主要为水槽和风洞试验,也有粒子图像测速(particleimagevelocimetry,PIV)试验和计算机数值模拟试验,但后面这2种试验比较少。张硕等通过水槽模型试验对6种混凝土人工鱼礁模型的上升流特性和背涡流特性进行了研究,并对上升流规模和背涡流规模进行了定量分析。刘洪生等利用风洞试验对正方体、金字塔及三棱柱人工鱼礁模型进行了流场效应的分析。关长涛等利用粒子图像测速方法对复合M型和星体型人工鱼礁模型周围的流场进行了分析。此外,还有部分学者利用计算机数值模拟的方法对人工鱼礁区流场特性进行研究。崔勇等利用ANSYS软件对单体星型礁及不同布设间距的组合正方体礁周围的流场进行数值模拟,证明了数值模拟能够反映人工鱼礁的流场效应。姜昭阳利用FLUENT软件对单体立方体礁进行了受力和流场效应的分析,并与PIV试验相结合,数值模拟结果与试验结果基本一致,表明数值模拟能较好的反映人工鱼礁周围上升流和背涡流情况。人工鱼礁在海中不同的投放方式会产生不同上升流和背涡流,因而有必要对不同投放方式的人工鱼礁周围的流场效应进行研究,为人工鱼礁的投放布局提供理论基础。水槽试验和风洞试验只能反映人工鱼礁海域局部的流场变化,而不能把握整个人工鱼礁海域流场的分布和变化;PIV试验可以得到人工鱼礁区整个速度场分布,但是耗费较大的人力物力;而数值模拟利用计算流体动力学(computationalfluiddynamics,CFD)的原理,可以准确模拟人工鱼礁区的流场效应。本文利用FLUENT流场分析软件,采用RNGk-ε湍流模型,对星体型人工鱼礁在不同摆放方式下的流场效应进行数值模拟,结果显示摆放方式和布设间距对人工鱼礁周围的最大上升流流速、上升流面积和背涡流面积均有显著影响。与其他研究方法的试验数据相比较,进一步验证FLUENT数值模拟软件能够准确分析人工鱼礁的流场效应,能够为人工鱼礁在海中的投放方式和投放间距提供理论参考。1数值模拟方法1.1u3000平均流速根据所分析的人工鱼礁区流体的特性,本文将流体假设为不可压缩、定常、黏性流体。时均连续方程和Reynolds方程如下式中,ρ为流体密度,kg/m3;p是平均压强,Pa;ui,uj是平均流速,m/s;i,j=1,2,3(i≠j)表示直角坐标系x,y,z3个方向,μ为动力黏度,Pa·s;为Reynolds应力,N。试验采用由Yakhot和Orzag提出的RNGk-ε模型。在RNGk-模型中,所得到的k方程和ε方程如下式中,Gk是由于平均梯度引起的湍动能的产生项,μeff为有效湍动黏度,Pa·s;k为湍流动能,J;ε为动能耗散率;αk、αε分别为k和ε的普朗特数;C1ε和C2ε为经验常数,这些项和系数的计算式或取值如下式中,μt为湍动粘度,Pa·s;η为无量纲参数;η0、Cμ、β均为常数;Eij为时均应变率。1.2礁体摆放形式本文采用的星体型人工鱼礁规格为:星体型鱼礁外接圆直径为0.8m,高度为1m,壁厚为0.1m,模拟海流的流速分别为0.3、0.5和0.8m/s,单个礁体摆放形式如图1所示,2个礁体采用横向排列和纵向排列2种不同的摆放方式,横向组合(两鱼礁连线与流向垂直)如图2a,间距为h1=0.5l和h2=1l(l=0.8m),简称HZ1、HZ2;纵向组合(两鱼礁连线与流向平行)如图2b,间距分别为l1=0.5l、l2=1l、l3=1.5l和l4=2l(l=0.8m),简称SX1、SX2、SX3、SX4。1.3模型边界条件研究表明,对于数值模拟而言,当计算域的长度达到9倍的鱼礁长度(鱼礁前方3倍,鱼礁后方5倍),计算域宽度达到5~6倍礁体宽度,计算域高度达到4倍以上礁体高度时,就能正确的反映人工鱼礁周围的流场情况。因此,本文将2个礁体看作一个整体礁群,尺寸为L×W×H,整个计算域确定为长方体形状,尺寸为L1×W1×H1(9L×6W×5H),其中礁前计算域长度为3L,礁后计算域长度为5L,如图3所示。数值模拟中设定的边界条件如下:1)入口边界条件。入口边界条件选择入口速度(3个入口流速),其中湍动能强度和湍流尺度都是根据计算域的各项参数预先计算好的。2)出口边界条件。出口边界条件选用压力出口边界条件,在出口边界处设置的静压是相对压力。3)壁面。鱼礁个体以及海底是固体,因此这两部分与水流接触的面就设定为壁面边界条件,并且采用默认的无滑移边界条件。1.4人工鱼礁区的没有标准网络结构人工鱼礁计算域三维流场的网格划分采用四面体网格。由于礁体周围为计算敏感区,因此,在鱼礁周围重新设定一个A计算域,尺寸为L2×W2×H2(4L×2W×2H),其中礁前长度与礁后长度之比为3∶5。该A计算域包含在总计算域中,对A计算域采用较密的网格划分,而计算域的其他部分,也就是远离礁体的非敏感区域采用较稀疏的网格划分,这样既可以精确的反映人工鱼礁区三维流场的情况,又可以降低计算机的运算难度(图4)。各单元尺寸如表1所示。利用GAMBIT软件建立三维模型并进行网格划分,网格数量为990000—1750000。2结果与分析人工鱼礁的流场效应主要表现为迎流面产生的上升流以及背流面产生的背涡流,因此,上升流和背涡流情况是衡量人工鱼礁效益的重要指标。2.1流速大小及其方向图5为星体型礁横向组合中不同布设间距在不同流速条件下的流场速度矢量图,图5中线条颜色表示流速大小,箭头方向表示流速方向。从图5中可以看出,在不同流速下,组合鱼礁上方均形成加速上升流,鱼礁后方形成背涡流区域,且组合鱼礁形成的流场沿两鱼礁的中线对称分布。2.1.1来流速度对组合鱼礁升流的影响图6a为不同布设间距鱼礁上方上升流最大流速。如图6a所示,当两鱼礁间距一定时,最大上升流流速随来流速度的增加而显著增大(P<0.05);当来流速度一定时,最大上升流流速受布设间距的影响较小,表现为HZ2略大于HZ1,差异不显著(P>0.05)。因此,来流速度是影响上升流最大流速的主要原因。图6b为组合鱼礁上升流高度与礁高的比值。从图6b中可以看出,当两鱼礁间距一定时,上升流高度随来流速度的增加而略微增大(P>0.05);当来流速度一定时,上升流高度随布设间距的增加也略有增大(P>0.05)。图6c为组合鱼礁形成的上升流面积。从图6c中可以看出,当两鱼礁间距一定时,上升流面积受来流速度影响较小,整体趋势是随来流速度的增加而增大,但是增大的幅度较小,差异不显著(P>0.05);当来流速度一定时,上升流面积随布设间距的增加而增大,差异也不显著(P>0.05)。2.1.2来流速度对背涡流面积的影响图6d为不同布设间距组合鱼礁后方形成的背涡流面积。如图6d所示,当两鱼礁间距一定时,背涡流面积受来流速度的影响较小,差异不显著(P>0.05);当来流速度一定时,背涡流面积随布设间距的增加而显著减小(P<0.05)。2.2布设间距的影响图7为星体型礁纵向组合4种布设间距时在不同流速条件下的流场速度矢量图。从图7中可以看出,布设间距对组合鱼礁上升流和背涡流的影响较大。上升流面积和上升流高度均对布设间距的增加先增大后减小,礁体间背涡流面积随布设间距的增加而增大,礁体后的背涡流面积随布设间距的增加先增大后减小,在1.5倍间距时达到最大值。2.2.1来流速度和上升流面积的变化图8a为4种布设间距组合鱼礁最大上升流流速。从图8a中可以看出,当两鱼礁间距一定时,最大上升流流速随来流速度的增大而显著增大(P<0.05);当来流速度一定时,最大上升流流速受布设间距的影响较小,差异不显著(P>0.05),整体表现为先增大后减小,在1L时达到最大值,约为1.2倍的来流速度。图8b为4种布设间距组合鱼礁上升流高度和礁体高度的比值。如图8b所示,当两鱼礁间距一定时,上升流高度基本不受来流速度的影响,差异不显著(P>0.05);当来流速度一定时,上升流高度随布设间距的增大先增大后减小,在1.5L时达到最大,约为2.2倍礁体高度。图8c为4种布设间距组合鱼礁所形成的上升流面积。当两鱼礁间距一定时,上升流面积随来流速度变化的趋势不明显(P>0.05);当来流速度一定时,布设间距对上升流面积的影响显著(P<0.05),趋势为上升流面积随布设间距的增加先增大后减小,当布设间距为1.5倍礁体尺寸时达到最大值,约为1.8倍迎流面积。2.2.2不同来流速度组合纵向摆放的鱼礁,在两鱼礁中间和第二个鱼礁后方均形成背涡流,因此,分析组合鱼礁背涡流效应应该综合考虑这2个背涡流的情况。图8d为不同布设间距组合鱼礁中间涡流的面积。从图8d中可以看出,当两礁体间距一定时,背涡流面积变化不大,不同流速情况下各背涡流面积差异不显著(P>0.05);当来流速度一定时,背涡流面积随布设间距的增加而显著增大(P<0.05),当布设间距为0.5倍礁体尺寸时,未形成饱满的涡流,只有少量的回流;当布设间距达到1.5倍礁体尺寸时,背涡流面积显著增大,在2倍礁体尺寸时达到最大。图8e为不同布设间距组合鱼礁第二个鱼礁后方的背涡流面积。从图8e中可以看出,当两鱼礁间距一定时,背涡流面积没有明显的变化(P>0.05);当来流速度一定时,背涡流面积随布设间距的增加先增大后减小,在1.5倍礁体尺寸时达到最大值,约为0.55倍的迎流面积。3讨论3.1鱼礁间距分布数值模拟结果显示,在来流速度一定时,上升流高度和上升流面积随布设间距的增加而增大,整体表现为HZ2略大于HZ1;背涡流面积随鱼礁间距的增大而减小。这与刘彦等采用PIV试验方法得出的上升流与背涡流随布设间距的变化规律一致。3.2纵向组合鱼礁上升流面积与间距纵向组合鱼礁数值模拟结果显示:1)迎流礁体引起的上升流高度受来流速度的影响较小,主要受布设间距的影响,在1.5倍布设间距时上升流高度达到最大值。这与崔勇等采用ANSYS得到的方形组合鱼礁上升流高度在1.5倍布设间距时达到最大值的结论一致(图9a)。在图9a中可以看出,方形组合鱼礁上升流高度均大于星体型鱼礁,这与礁体尺寸和礁体形状有关,实心方形礁体形成的上升流区域大于实心多齿状不规则星型礁形成的上升流区域。2)上升流面积随鱼礁间距的增加先增大后减小,在1.5倍礁体尺寸时达到最大,这与刘彦等采用PIV试验方法和崔勇等采用ANSYS数值模拟方法得出纵向组合鱼礁上升流面积随布设间距的增加先增加后减小的结论一致。但是,崔勇等指出方形组合鱼礁上升流面积在1倍礁体尺寸时达到最大,这与本文结果不相符,原因可能是礁体形状与礁体尺寸会影响迎流礁引起的上升流区域的流场情况,规则的实心礁体产生的上升流与不规则多齿状礁体产生的上升流不同。3)两礁体间背涡流面积随布设间距的增加而增大,在2倍礁体尺寸时达到最大值,这与崔勇等得出的结论也一致(图9b)。图9b中,迎流面积是指礁体在垂直来流方向上的最大投影面积,选择背涡流面积与迎流面积比值作为考察礁体背涡流的指标,可以减小礁体尺寸对背涡流面积的影响。从图9b中可以看出,两礁体间背涡流面积是方形组合鱼礁大于星体型礁,原因是因为方形组合礁尺寸大且形状规则,而星体型礁尺寸小而且形状不规则,因此两者对其后背涡流的影响不同。4)两鱼礁后背涡流面积与迎流面积的比值随鱼礁间距的增加先增大后减小,在1.5倍礁体尺寸是达到最大值,这与刘彦等得出的礁距为1.5倍礁高时背涡流强度最大的结论一致。4组合鱼礁的最优间距根据星体型组合鱼礁数值模拟结果,通过分析组合鱼礁周围流场相关数据得到如下结论。1)横向组合中,组合鱼礁第一个迎流礁形成的最大上升流流速、上升流高度和上升流面积随鱼礁间距的增加而增大;鱼礁后方背涡流高度和背涡流面积随鱼礁间距的增大而减小。2)纵向组合中,组合鱼礁第一个迎流礁形成的最大上升流流速,上升流高度和上升流面积随鱼礁间距的增大先增大后减小,其中最大上升流流速在礁距为1倍礁体尺寸时达到最大,而上升流高度和上升流面积均在礁距为1.5倍礁体尺寸时达到最大值;两鱼礁间的背涡流面积随礁体间距的增大而增大,在礁距为1.5倍礁体尺寸时显著增大,在礁距为2倍礁体尺寸时