人工魚礁水動力學(xué)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、人工魚礁是指由一個(gè)或多個(gè)自然或人造物體組成，并有目的的設(shè)置于海底，用來改變海洋生物資源與環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的人工設(shè)施，是海洋牧場工程建設(shè)的重要組成部分。與其他海洋結(jié)構(gòu)物一樣，人工魚礁在海底受到水流等水文環(huán)境因素的作用，其流場效應(yīng)和受力狀況與其自身的水動力學(xué)性能密切相關(guān)。關(guān)于人工魚礁水動力學(xué)性能的研究，人們在以往的研究中通常借助于傳統(tǒng)的漁具力學(xué)理論和動力水槽實(shí)驗(yàn)等方法來進(jìn)行研究，而這些方法往往會受到理論深度、流體屬性、觀測方法和精

2、度、人力和物力等諸多方面的影響或限制，無法滿足人們對人工魚礁水動力學(xué)性能全面認(rèn)識的需求。 本論文以不同人工魚礁模型為研究對象，依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，基于大型計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent為平臺，運(yùn)用三維湍流模擬技術(shù)為研究手段，開展了人工魚礁模型水動力學(xué)性能的數(shù)值模擬研究，得到了人工魚礁模型各斷面壓力分布、流場效應(yīng)和礁體的受力情況，揭示了人工魚礁局部流場的流動結(jié)構(gòu)；同時(shí)與動力水槽實(shí)驗(yàn)，特別是粒子圖像測速(PIV)技術(shù)的實(shí)測結(jié)果

3、進(jìn)行對比分析，結(jié)果均比較吻合，使得兩類方法得到了相互驗(yàn)證。由此說明，本論文所采用的數(shù)值模擬方法可以應(yīng)用于人工魚礁水動力學(xué)性能的預(yù)測，進(jìn)而推廣到實(shí)際的人工魚礁水動力學(xué)性能研究中去，旨在為人工魚礁流場理論的初步研究和設(shè)計(jì)的選型優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)，為我國日益蓬勃發(fā)展的人工魚礁區(qū)規(guī)劃和建設(shè)事業(yè)的全面發(fā)展提供科學(xué)參考。 首先，本論文建立了一套針對多孔立方體人工魚礁模型的三維湍流流動數(shù)值模擬模型，對其水動力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測了模型礁體

4、周圍及其內(nèi)部三維流動結(jié)構(gòu)和基本流態(tài)，分析了壓力和流速分布之間的關(guān)系，得到了人工魚礁模型的受力值和流速值。計(jì)算結(jié)果與動力水槽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，均比較吻合，受力和速度的計(jì)算值與測量值之間的相對誤差都很小，分別在2.3％～26.2％和1.3％～36.4％之間。這說明，兩種方法均能體現(xiàn)模型礁體在流速增加時(shí)，受力增加的趨勢，且數(shù)值模擬結(jié)果基本符合模型礁體局部繞流流場的特征。 其次，以單孔立方體人工魚礁模型為研究對象，在應(yīng)用三維湍流流動模型

5、進(jìn)行非定常流動數(shù)值模擬的同時(shí)，利用PIV技術(shù)對橫流中人工魚礁繞流流場縱向斷面處各局部的流動特性進(jìn)行測量，清晰地了解到模型礁體的上升流區(qū)、尾流區(qū)、迎流區(qū)和內(nèi)部旋渦的交替產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的過程，并對主要旋渦運(yùn)動的周期和影響范圍做出了相應(yīng)的分析。數(shù)值模擬結(jié)果與PIV實(shí)測和測力實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果較吻合，符合人工魚礁模型局部流場的流動結(jié)構(gòu)，及模型的受力情況。 再次，運(yùn)用三維湍流數(shù)值模擬技術(shù)，對梯形臺人工魚礁模型在橫流作用下的非定常流動

6、進(jìn)行了數(shù)值模擬，了解了梯形臺模型礁體的流場效應(yīng)，通過與PIV實(shí)測流場以及測力實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步表明本文的數(shù)值計(jì)算和性能預(yù)測均能達(dá)到一定的精度。并對三種礁體的上升流及影響范圍等進(jìn)行了比較。 最后，依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)理論，運(yùn)用三維湍流模擬技術(shù)，對人工魚礁板塊區(qū)內(nèi)的流動進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了人工魚礁區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中單位板塊區(qū)的流場分布情況，能夠讓人們直觀地了解到人工魚礁板塊區(qū)所產(chǎn)生的流場效應(yīng)，為研究