中心开孔方式人工鱼礁阻力系数的实验研究

中心开孔方式人工鱼礁阻力系数的实验研究

我国已有30多年的人工鱼礁研究和建设，对恢复和生态环境，促进捕鱼生态环境，发挥了良好的作用。人工鱼礁投放于相应海域后,受到波流的作用力即水阻力,当水阻力大于礁体与海底间的最大静摩擦力时,礁体会出现移位现象即漂移现象;当水阻力对礁体产生的倾覆力矩大于由礁体自重产生的抗倾覆力矩时,礁体会发生翻转现象即倾覆现象。人工鱼礁建设是一项投资巨大的复杂工程,礁体的物理稳定性在很大程度上决定其生态稳定性,为保证人工鱼礁工程建设能取得预期效果,延长人工鱼礁工程的生态稳定性,使鱼礁的生物诱集和增殖效应最大化,必须对礁体的稳定性进行科学的验算,其中礁体水阻力系数是最重要的1个参数。由于海洋的深度和广度及其流动的不稳定性,人工鱼礁海域的现场调查难度大、成本高,国内学者普遍利用水槽或风洞进行礁体模型实验。国外学者主要是日本学者对人工鱼礁的水动力学特性作过较为系统的研究,通过水槽试验计算了角型鱼礁(正方体框架型)模型的流体力特性,给出了流体阻力系数Cd的计算公式,阻力系数值在0.98~1.12之间。由于研究手段的限制,这些研究仅仅对具体的礁体模型进行了水阻力测量实验,并没有定量的给出鱼礁外形尺寸的变化对礁体水阻力性能的影响。本文针对不同中心开口方式(圆孔、三角孔、方孔)人工鱼礁模型,通过风洞实验,定量探讨人工鱼礁的阻力系数与开口比之间的关系,以期找出礁体设计要素对阻力系数的影响规律,获得不同形状礁体的人工鱼礁礁体阻力系数,为今后人工鱼礁设计及稳定性校核提供理论依据。1材料和方法1.1实验模型与设备本实验在武汉理工大学工程流体力学研究所的开口循环风洞中进行,实验段尺寸为:直径1m、长1.5m、最大风速60m/s。实验模型安放在实验平台上方,下端与六分力传感器固定,六分力传感器与机床用旋转工作台固定,通过调节旋转工作台可以实现礁体以不同角度迎风。实验装置如图1、2所示。实验中风速测量仪器为毕托管,阻力测量仪器为六分力传感器,通过电脑连接记录数据。其它附属设备为温湿度计、气压计、水平尺等。1.2模型材质与特征长度根据流体力学相似性原理,本实验采用雷诺相似准则,即鱼礁模型雷诺数等于实物雷诺数,雷诺数计算如公式(1)。实物礁体是棱长为3m的正方体型人工鱼礁,取尺度比为1∶10。实物鱼礁材质为钢筋混凝土,糙率为0.014。根据糙率相似准则(公式(2)),实验鱼礁模型材质采用有机玻璃(见表1)。Re=U·l/v(1)λn=λ1/6LL1/6(2)其中,Re为雷诺数,U为来流速度(m/s),l为特征长度(m),v为流体运动黏度(m2/s),λn为实物与模型的糙率比,λL为实物与模型的尺度比。实验礁体模型共6种类型(见图3),尺寸规格均为30cm×30cm×30cm。其中无孔型1个,中心方孔型有7种不同开口比(中心方孔边长分别为5,7.5,10,12.5,15,17.5和20cm),中心圆孔型、中心三角孔型均分别有6种开口比(中心圆孔直径分别为6,9,12,15,18和21cm,中心三角孔边长分别为6,9,12,15,18和21cm),正方体型和回字型各1个。1.3实验设计实验采用全面组合实验方法,具体因素及水平见表2。1.4实验室内样本六分力传感器的安装(1)通过水平尺检测工作台平面、六分力传感器安装平面是否为水平状态,如未达到水平状态,则通过在工作台底部加装垫片进行校正。通过毕托管测量风洞前后2个断面垂直方向上风速梯度,确保风场均匀;(2)将礁体模型通过螺钉固定在六分力传感器安装平面上,利用底部旋转工作台使礁体模型与风洞来风方向呈一定角度,初始为0(°);(3)记录实验室内温度、湿度、大气压,六分力传感器取初值;(4)调节风洞电压,在风速0~25m/s之间取10个风速点,六分力传感器在每一风速点采集3组数据,取平均值;(5)调节旋转工作台,使礁体模型与风洞来风方向呈30(°)及45(°),重复步骤(4);(6)一组礁体模型测量完毕,更换下一组模型,重复步骤(2)~(5)。1.5方体鱼礁模型开口比这一概念是日本学者影山芳郎等在进行多孔立方体魚礁水槽实验可视化研究中使用的。开口即鱼礁模型上的孔洞,开口比为礁面上开口部分的投影面积与礁面的全投影面积之比。本文将开口比细分为2种性质,分别为通透开口比和投影开口比,根据礁体几何尺寸计算得出。如图4所示为一正方体鱼礁模型(三面开口,一面封闭),当礁体以45(°)冲角迎流时,可见A1为通透型开口的投影面积,(A1+A2)为表面开口的投影面积,A为此时礁面的全投影面积。定义通透开口比(γtt)为礁体迎流方向的透空投影面积与礁体全投影面积的比值,表征流体流经礁体内部的直接通道(即γtt=A1/A);定义投影开口比(γty)为礁体迎流方向上开口(非封闭口)的投影面积与礁体全投影面积的比值,表征流体可经此通道流出礁体(即γty=(A1+A2)/A)。因此本文中的投影开口比即相当于以前研究中采用的“开口比”,而且0(°)冲角迎流时的通透开口比与投影开口比相等。以测得的中心开孔方式(圆孔、三角孔、方孔)礁体阻力系数为变量,相应的通透开口比、投影开口比为自变量,利用SPSS17.0进行多元回归分析,拟合出阻力系数Cd的计算公式。将测得的回字型和正方体型人工鱼礁礁体阻力系数用于验证拟合计算公式的准确性。2结果与分析2.1不同开口模式下水体的阻力系数2.1.1阻力系数选取在实验中,当风速大于5m/s时,阻力系数基本保持不变即进入自动模型区,将自模区内测得的阻力系数取平均值,即得该种模型礁体在该冲角下的阻力系数。本文所讨论阻力系数均为进入自模区的礁体阻力系数。如图5所示,随着投影开口比的升高,礁体阻力系数呈下降趋势,中心三角孔型下降幅度偏缓,中心圆孔及方孔方式礁体下降幅度相似。2.1.2透平砂礁体的开口比对阻力系数的影响如图6所示,除30(°)冲角时中心三角孔礁体阻力系数随投影开口比的升高而呈上升趋势外,中心方孔、中心圆孔、中心三角孔礁体阻力系数随投影开口比的增加而呈下降趋势。当投影开口比相同时,不同的迎风角度使礁体具有不同通透开口比(30(°)迎风时通透开口比<45(°)迎风时通透开口比<0(°)迎风时通透开口比)。以投影开口比0.1为分隔,当礁体投影开口比>0.1时,0(°)迎风时阻力系数最小,45(°)时次之,30(°)时最大,即阻力系数随通透开口比的增加而呈下降趋势;当礁体投影开口比<0.1时,对于中心方孔型礁体0(°)迎风时阻力系数最大,45(°)时次之,30(°)时最小,对于中心圆孔及中心三角孔型礁体0(°)迎风时阻力系数最大,30(°)时次之,45(°)时最小。2.2数cd的计算根据中心开孔方式(圆孔、三角孔、方孔)礁体的阻力系数拟合结果,得出礁体为中心开孔时,阻力系数Cd可按公式(3)计算(R2=0.729,P<0.01)。Cd=-0.861γtt+0.145γty+1.268(3)在实际人工鱼礁礁体设计过程中,可根据礁体的迎流角度(0(°)~90(°))计算相应的通透开口比、投影开口比,代入公式(3)计算阻力系数。2.3理论公式计算的验证由于风洞实验结果为实测值,将其视为正确值,以此来验证理论公式计算的结果。如表3所示,回字型和正方体型人工鱼礁礁体阻力系数的理论计算值与实验测量值结果相近,误差在8%以内。3理论公式计算值的验证(1)以往学者对人工鱼礁所受阻力的实验研究都是针对某一具体形状鱼礁[10,11,12,13,14,15],由于受到实验条件的限制,在对新设计的人工鱼礁进行稳定性校核时只能根据经验选取阻力系数。本研究通过测量开口结构经抽象化处理的3种正方体型礁体模型的阻力系数,系统分析了礁体投影开口比、通透开口比与阻力系数之间的定量关系并拟合出了阻力系数的计算公式。通过实际投放使用(回字型和正方体型)的人工鱼礁模型的实测值与理论公式计算值的对比验证说明理论公式计算值是可靠的。(2)人工鱼礁的阻力系数与礁体的透水性能密切相关,有学者曾以孔隙率和透水系数作为表征透水性结构物阻挡水流、保护后方构造物及减缓冲刷性能的指标。透水系数是反映水通过混凝土孔隙的速度,表征透水性结构物排水性能的指标。孔隙率反映着混凝土中孔隙的多少与连通状况,其中可以使水通过、排出或者储存的称为有效孔隙,而水流不能进入其中的称为无效孔隙。可见孔隙率和透水系数不仅能反映出礁体的开口情况,同时也能反映出混凝土结构物本身的透水性能。由于实际情况下人工鱼礁礁体开口的尺寸数量级(开口范围在0.1~1.5m之间)远大于混凝土结构物的内部孔径,因此本实验中仅考虑开口情况对礁体透水性能的影响,选择开口比作为表征礁体透水性能的参数,并根据迎流冲角的变化将开口比划分为通透开口比和投影开口比2类。今后的实验中,建议在0(°)~45(°)冲角范围内选择多个角度进行测量,通过多元回归分析,得出包含通透开口比、投