人工魚礁水動力的實(shí)驗(yàn)研究與流場的數(shù)值模擬.pdf

1、由于捕撈強(qiáng)度增強(qiáng)和環(huán)境污染，我國近海漁業(yè)資源嚴(yán)重衰退，修復(fù)近海水域生態(tài)環(huán)境、保護(hù)漁業(yè)資源、保持海洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前面臨的迫切任務(wù)。建設(shè)人工魚礁，發(fā)展海洋牧場是緩解漁業(yè)資源衰退、漁場“荒漠化”、促進(jìn)沿海漁場建設(shè)的一項(xiàng)重要措施。由于人工魚礁處于海洋環(huán)境中，同時(shí)受到波浪和水流的共同作用，但是一般意義上的人工魚礁都放置在海底，屬于底置魚礁，因此，大部分有關(guān)人工魚礁的水動力學(xué)性能的研究不考慮波浪影響。人工魚礁的基礎(chǔ)研究主要是魚礁材料、結(jié)構(gòu)、

2、穩(wěn)定性、魚礁合理布局、投放魚礁的密度以及魚礁區(qū)生態(tài)系、魚礁區(qū)流態(tài)變化、魚礁區(qū)的漁具漁法等。魚礁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要考慮選用的魚礁材料和海域的水流環(huán)境。魚礁流場的影響范圍、流態(tài)分布都要受到魚礁結(jié)構(gòu)形狀、規(guī)模大小的影響，魚礁流場分布特征直接影響到人工魚礁的投放布局。為了提高人工魚礁的可靠性和魚礁效能，在人工魚礁設(shè)計(jì)和投放之前，應(yīng)該首先運(yùn)用工程分析的方法研究人工魚礁的水動力性能和流場效應(yīng)，研究這類結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的通常方法有模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬。隨

3、著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，并且越來越受到重視。因此，本文應(yīng)用水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法研究人工魚礁的水動力和流場特征。
　　本文以3m3m3m的方型魚礁做為實(shí)物礁體，取尺度比λL=20，制作了2種15cm15cm15cm的魚礁模型。在回流水槽中測量不同水流速度下的魚礁水阻力，并計(jì)算阻力系數(shù)（Cd）與雷諾數(shù)（Re）。結(jié)果表明：無蓋礁體模型正面迎流時(shí)（θ=0o），當(dāng)Re超過7.5×104時(shí)，Cd為1.64，其

4、自動模型區(qū)域?yàn)镽e>7.5×104；45°方向迎流時(shí)（θ=45o），當(dāng)Re超過6.36×104時(shí)，Cd為1.3，其自動模型區(qū)域?yàn)镽e>6.36×104。有蓋礁體模型正面迎流時(shí)，當(dāng)Re超過6.0×104時(shí)，Cd為1.69，其自動模型區(qū)域?yàn)镽e>6.0×104；45°方向迎流時(shí)，當(dāng)Re超過8.48×104時(shí)，Cd為1.43，其自動模型區(qū)域?yàn)镽e>8.48×104。一種礁體模型在不同迎流方式下所受的阻力不同，45°方向迎流比正面迎流時(shí)的阻力大

5、。在相同的迎流方式下，有蓋礁體所受的阻力比無蓋礁體大。
　　本文通過FLUENT和ANSYS對水流經(jīng)過人工魚礁的流場變化進(jìn)行單向耦合分析。其中，幾何建模及網(wǎng)格劃分分別在DM Geometry及Mesh中進(jìn)行，流體分析在FLUENT中完成，結(jié)構(gòu)分析在Static Structural（ANSYS）中設(shè)置。利用FLUENT的后處理，得到流場中不同斷面的速度云圖。從水流速度云圖上，可以明顯看出流體在經(jīng)過魚礁后，周圍流場受到的影響是顯著的

6、。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對比分析可以看出，利用ANSYS WORKBENCH做單向流固耦合分析對人工魚礁流場進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的。進(jìn)而可以通過數(shù)值模擬來預(yù)測水流經(jīng)過魚礁后，在距離魚礁多遠(yuǎn)距離流場會得到恢復(fù)，也就可以據(jù)此推斷，下一個(gè)魚礁投放的合適位置。從水流速度云圖上可以看出，在水流方向上距離礁體17倍處（A19斷面），外部流場恢復(fù)。從模擬值和測量值比對可以看出，A19斷面以后水流速度基本穩(wěn)定，如果按照進(jìn)口流速50cm/s計(jì)算，穩(wěn)定后的流

7、速誤差在0.7-2.94％。同樣，從水流速度云圖上也可以看出，位于礁體兩側(cè)的C斷面，距離礁體3.5倍距離處（C8斷面）流場得到恢復(fù)。
　　本文研究了柔性結(jié)構(gòu)的人工魚礁水動力性能，柔性結(jié)構(gòu)的人工魚礁主要由支撐框架和網(wǎng)衣組成，支撐框架為圓柱形結(jié)構(gòu)材料，網(wǎng)衣為普通聚乙烯網(wǎng)衣。人工魚礁的單體模型為橢圓形，高為175mm，最大外徑480mm，四周被均勻分為8份，其中，4份用聚乙烯網(wǎng)片（2a=20mm，d=1mm）縫制，其他4份為鏤空結(jié)構(gòu)。將

8、柔性結(jié)構(gòu)的人工魚礁看著是靜止在水中的漁具構(gòu)件，根據(jù)漁具或漁具構(gòu)件水動力的性質(zhì)和種類，一個(gè)物體所承受的水阻力的大小取決于來流的速度。將魚礁單體按照2種方式進(jìn)行組合，組合方式1就是將1－4個(gè)單體魚礁分別垂直組合成圓柱型結(jié)構(gòu)，共形成4個(gè)組合體；組合方式2就是將4個(gè)單體魚礁水平組合一起，然后再分別垂直組合1－4層，共形成4個(gè)組合體。在循環(huán)水槽中取 V＝0.12、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7m/s共7個(gè)流速，測量不同魚礁組合結(jié)構(gòu)

9、在以上7種水流情況下的阻力值（R）。結(jié)果表明：
　?。?）當(dāng)其45o迎流時(shí)（=45o）所受到的水阻力比正面迎流（=0o）時(shí)大，對于組合方式1的4種組合體（單體、雙體、三體、四體），差值在0.3-23.3%之間；對于組合方式2的4種組合體（一層4個(gè)、二層8個(gè)、三層12個(gè)、4層16個(gè)），差值在5.9-35.4%之間。
　　（2）水阻力的計(jì)算值比測量值大，對于組合方式1，其差值在4.1-10.8%之間；對于組合方式2，其差值在2.