T-SCSF 0020-2024 人工鱼礁流场效应评估技术规范

团体标准人工鱼礁流场效应评估技术规范中国水产学会发布Ⅱ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国水产学会归口。本文件起草单位:上海海洋大学、中国海洋大学、山东大学(威海)、中国水产科学研究院南海水产研究所、中国水产科学研究院渔业工程研究所、大连海洋大学、全国水产技术推广总站。本文件主要起草人:林军、王欣欣、钟威、唐衍力、章守宇、姜昭阳、陈倩茹、唐振朝、刘年飞、田涛、陈圣灿。1人工鱼礁流场效应评估技术规范1范围本文件规定了人工鱼礁流场效应评估的数值建模方法、物理水槽模型、评估指标与方法、报告编写、资料和成果归档等技术要求。本文件适用于使用基于非静力假设的计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)数值水槽模型或使用物理水槽模型,评估单体鱼礁、单位鱼礁的流场效应,使用物理水槽模型验证CFD模型,以及使用基于静力假设的海洋数值模式模拟评估人工鱼礁区的流场效应。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T12763.2海洋调查规范第2部分:海洋水文观测GB/T40946—2021海洋牧场建设技术指南GB/T42779—2023海洋牧场基本术语SC/T9416—2014人工鱼礁建设技术规范3术语和定义GB/T42779—2023、GB/T4人工鱼礁artificialreef用于修复和优化海域生态环境,建设海洋生物生息场的人工设施。[来源:GB/T40946—2021,3.3]建造人工鱼礁的单个构件。[来源:SC/T9416—2014,3.5]单位鱼礁unitreef由一个或者多个单体鱼礁组成的鱼礁集合。[来源:SC/T9416—2014,3.6]人工鱼礁区artificialreefarea已经敷设人工鱼礁,并按其功能辐射范围划定的水域。[来源:SC/T9416—2014,3.3]单体鱼礁底面几何轮廓的最大距离。[来源:GB/T42779—2023,4.3.1]2单体鱼礁底面几何轮廓垂直于长度线的最大距离。[来源:GB/T42779—2023,4.3.2]单体鱼礁底面至鱼礁顶部的垂直距离。[来源:GB/T42779—2023,4.3.3]单位鱼礁外廓线长度lengthofunitreef单位鱼礁底面几何轮廓的最大距离。单位鱼礁外廓线宽度widthofunitreef单位鱼礁底面几何轮廓垂直于长度线的最大距离。单位鱼礁外廓线高度heightofunitreef单位鱼礁底面至单位鱼礁垂向几何轮廓顶部的垂直距离。单体鱼礁外部结构几何面轮廓所包围的体积。注:用“空m3[来源:GB/T42779—2023,4.3.6]人工鱼礁规模constructioncapacityofartificialreef;volumeofartificialreef人工鱼礁区的单体鱼礁或单位鱼礁体积的总和。注:分散的有规律投放的人工鱼礁以单体鱼礁体积计算,堆积投放的人工鱼礁以单位鱼礁体积计算。[来源:GB/T42779—2023,4.3.7]上升流upwelling人工鱼礁迎流侧上方形成的涡流结构。人工鱼礁背流侧形成的涡流结构。人工鱼礁流场效应flowfieldeffectofartificialreef在一定流速的水流作用下,人工鱼礁形成的上升流、背涡流的强度和范围。进行计算流体力学仿真模拟时所使用数值水槽的流体计算区域。注:通常定义数值水槽长度(来流方向)方向为x轴,数值水槽宽度方向为y轴,数值水槽深度方向(垂向)为≈轴。4数值建模方法计算域规格应符合以下条件:a)单体鱼礁的计算域长度应不少于礁体长度的25倍,其中迎流侧计算域长度应不少于礁体长度的33倍,背流侧长度应不少于礁体长度的20倍;b)单体鱼礁的计算域宽度应不少于礁体宽度的7倍,其中单体鱼礁两侧距离侧边界的计算域宽度应不少于礁体宽度的3倍;c)单位鱼礁的计算域长度应不少于单位鱼礁外廓线长度的7倍,其中迎流侧计算域长度应不少于单位鱼礁外廓线长度的1倍,背流侧长度应不少于单位鱼礁外廓线长度的5倍;d)单位鱼礁的计算域宽度应不少于单位鱼礁外廓线宽度的3倍,其中单位鱼礁外廓线两侧距离侧边界的计算域宽度应不少于单位鱼礁外廓线宽度的1倍;e)计算域高度取决于人工鱼礁区的平均海面水深,应不少于鱼礁单体高度或单位鱼礁外廓线高度的2倍。边界条件设置应符合以下条件:a)入口边界为速度入口,取定常流速或时变流速;b)出口边界为压力出口或自由出流边界;c)上边界为对称边界;d)左右边界为对称边界;e)底面边界为根据人工鱼礁区底质特性设定的壁面边界;f)人工鱼礁表面为固边界,根据人工鱼礁材质特性设置为壁面边界。来流速度设置应符合以下条件之一:a)人工鱼礁区涨落急流速;b)人工鱼礁区潮周期平均流速;c)人工鱼礁区潮周期时变流速;d)人工鱼礁区风、浪、流联合作用下的垂向平均流速。模型计算的有效时间段应符合以下条件:a)计算域长度除以平均来流速度得到流体流经计算域的时间段(T1),可应用于人工鱼礁流场效应评估的有效模拟结果应使用计算收敛后不小于一个T1时间段的结果;b)在a)的基础上,用于模型计算结果分析的有效数据时间段应不小于礁体长度或单位鱼礁外廓线长度除以平均来流速度得到的时间段(T2);c)在来流速度设置为潮周期时变流速的情况下,在a)的基础上,模型计算有效数据时间段应不小于人工鱼礁区的潮周期(T3)。网格划分应符合以下条件:a)最小网格分辨率应不大于单体鱼礁的最小几何结构;b)计算域内最大网格尺寸与最小网格尺寸之比应小于10;c)大尺寸网格与小尺寸网格应满足渐变过渡,保证无畸变网格;d)网格应进行无关性检验,即检验流场模拟结果与网格分辨率无关;e)在满足上述条件的基础上,选用网格数量少的网格划分方案。4.3模型设置模型设置应符合以下条件:a)基于人工鱼礁区的实测季节平均或年平均结果设置数值水槽模型的流体密度和黏性等参数;b)应选用基于压力求解的时变模型;c)应选用的湍流模型有大涡模拟或RNGK-ε湍流模型等,其中大涡模拟适用于复杂湍流的模拟计算,RNGK-ε湍流模型适用于高应变率及流线弯曲程度较大流动的模拟计算。44.4阻流系数测算通过计算单体鱼礁或单位鱼礁所引起的动态功率损耗值测算人工鱼礁阻流系数,分别选取单体鱼礁或单位鱼礁迎流侧动态功率稳定处,以及背流侧最小值处代表其未损耗以及最大损耗后的动态功率值。单体鱼礁或单位鱼礁引起的动态功率损耗值、人工鱼礁受力及其阻流系数分别按附录B中的公式4.5人工鱼礁区流场效应评估在静力海洋数值模式中可通过在模式动量方程中引入单体鱼礁或单位鱼礁的阻力项实现人工鱼礁区流场效应的数值模拟。模式动量方程中附加的阻力项按附录B中的公式(B.4)、公式(B.5)计算得到。5物理水槽模型5.1物理水槽模型准则物理水槽模型实验应满足几何相似等相似准则。水槽物理实验中单体鱼礁尺寸的缩放和流速设定等应遵循Froude相似准则或雷诺相似准则。5.2物理水槽模型流场效应评估与验证物理水槽模型在满足上述准则的前提下,可直接用于评估单体鱼礁或单位鱼礁的流场效应,也可用于验证基于计算流体力学的数值水槽模型模拟结果的精确度。6评估指标与方法6.1上升流区范围及评估指标不同强度上升流区范围分别为垂向(≈轴)分速度大于来流速度5%、10%或20%的区域,上升流区体积即是不同强度上升流区所占的空间体积。6.1.2上升流区评估指标及计算方法上升流区评估指标的计算方法有比礁高法、比空方法和比材料体积法,可选用如下指标评估:a)上升流区高度与礁体高度或单位鱼礁外廓线高度之比;b)上升流区体积与礁体高度或单位鱼礁外廓线高度之比;c)上升流区高度与单体鱼礁或单位鱼礁体积之比;d)上升流区体积与单体鱼礁或单位鱼礁体积之比;e)上升流区高度与单体鱼礁或单位鱼礁材料体积用量之比;f)上升流区体积与单体鱼礁或单位鱼礁材料体积用量之比。透水性人工鱼礁上升流区体积指标应至少为同体积、同外观造型实体礁上升流区体积指标值的20%以上。6.2背涡流区范围及评估指标不同强度背涡流区范围分别为水平向(x轴)流速的绝对值小于来流速度40%、60%或80%的区域,背涡流区体积即是不同强度背涡流区所占的空间体积。6.2.2背涡流区评估指标及计算方法背涡流区评估指标的计算方法有比礁高法、比空方法和比材料体积法,可选用如下指标评估:a)背涡流区高度与礁体高度或单位鱼礁外廓线高度之比;b)背涡流区体积与礁体高度或单位鱼礁外廓线高度之比;c)背涡流区高度与单体鱼礁或单位鱼礁体积之比;d)背涡流区体积与单体鱼礁或单位鱼礁体积之比;e)背涡流区高度与单体鱼礁或单位鱼礁材料体积用量之比;5f)背涡流区体积与单体鱼礁或单位鱼礁材料体积用量之比。透水性人工鱼礁背涡流区体积指标应至少为同体积、同外观造型实体礁背涡流区体积指标值的60%以上。6.3垂向水体输运通量评估指标垂向水体输运通量可用于定量化评估单体鱼礁、单位鱼礁或人工鱼礁区引起的上升流规模。垂向水体输运通量按附录B中的公式(B.6)计算得到。7报告编写参照附录A编写人工鱼礁流场效应评估报告。8资料和成果归档实验原始资料及成果归档按照GB/T12763.2的规定执行。6附录A(资料性)人工鱼礁流场效应评估报告内容人工鱼礁流场效应评估报告内容,按照如下要求撰写:A.1评估目的与意义A.1.1人工鱼礁项目建设目的和意义A.1.2人工鱼礁流场效应评估目的和意义A.2人工鱼礁建设工程概况A.2.1人工鱼礁建设海域自然与水动力条件A.2.2人工鱼礁建设规模A.2.3单体鱼礁设计与单位鱼礁A.2.4人工鱼礁区布局A.3人工鱼礁流场效应数值模拟A.3.1控制方程A.3.2计算域及网格剖分A.3.3数值模型设置与验证A.3.4数据处理方法A.4评估方法与指标A.4.1上升流评估方法与指标A.4.2背涡流评估方法与指标A.4.3垂向水体输运通量评估指标A.5人工鱼礁流场效应评估结果A.5.1流场效应单项指标分析A.5.2流场效应综合评估A.5.2.1单体鱼礁流场效应综合评估(必做)A.5.2.2单位鱼礁流场效应综合评估(必做)A.5.2.3人工鱼礁区流场效应综合评估(必做)A.6结论A.6.1人工鱼礁流场效应评估结论A.6.2建议7附录B(资料性)人工鱼礁流场效应评估报告公式B.1.1单体鱼礁或单位鱼礁引起的动态功率损耗值按公式(B.1)计算得到单体鱼礁或单位鱼礁引起的动态功率损耗值。Pext=…………………式中:Pext—单体鱼礁或单位鱼礁动态功率损耗值,单位为千克平方米每立方秒(kgm2/s3);P—水流密度,单位为千克每立方米(kg/m3);A—计算域网格面积,单位为平方米(m2);usteady—单体鱼礁或单位鱼礁迎流侧稳定的流速值,单位为米每秒(m/s);umin—单体鱼礁或单位鱼礁背流侧最小的流速值,单位为米每秒(m/s)。按公式(B.2)计算得到单体鱼礁或单位鱼礁受力。Fx=—…………式中:Fx—单体鱼礁或单位鱼礁迎流侧所受的阻力,单位为千克米每平方秒(kgm/s2);u—来流速度,单位为米每秒(m/s)。B.1.3单体鱼礁或单位鱼礁的阻流系数按公式(B.3)测算得到单体鱼礁或单位鱼礁的阻流系数。…………式中:cd—单体鱼礁或单位鱼礁的阻流系数;Fx—单体鱼礁或单位鱼礁迎流侧所受的阻力,单位为千克米每平方秒(kgm/s2);P—水流密度,单位为千克每立方米(kg/m3);A—计算域网格面积,单位为平方米(m2);u—来流速度,单位为米每秒(m/s)。B.2人工鱼礁区流场效应评估人工鱼礁区流场效应评估通过测算礁体在水