人工魚礁流場效應(yīng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬.pdf

1、人工魚礁是人們在大海中經(jīng)過科學(xué)選點(diǎn)而設(shè)置的構(gòu)造物，通過為魚類等水生生物的聚集、索餌、繁殖、生長和避敵提供必要的、安全的場所，以達(dá)到改善海域生態(tài)環(huán)境、保護(hù)和增殖漁業(yè)資源以及提高漁獲量的目的。人工魚礁投放后，使其周圍海域的非生物環(huán)境尤其是流場發(fā)生變化，這種變化又引起了生物環(huán)境的變化，產(chǎn)生了明顯的生態(tài)效應(yīng)。因此人工魚礁流場效應(yīng)的研究是人工魚礁研究的基礎(chǔ)。人們在以往的研究過程中通常借助于理論分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等方法來進(jìn)行，而這些方法往往會受到試驗(yàn)

2、條件、人力物力等諸多方面的影響或限制，無法滿足對人工魚礁海域流場大規(guī)模定量的研究。因此，數(shù)值計(jì)算模擬方法才是人工魚礁研究的重要方法。 本文在國內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，以不同類型人工魚礁模型為研究對象，利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法模擬人工魚礁海域流場，主要結(jié)論如下： 首先，根據(jù)流動相似原理，針對正方體、三棱柱和平項(xiàng)金字塔模型的空心和實(shí)心模型設(shè)計(jì)了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，在6m/s、9m/s和12m/s三種工況速度下模擬六種單體模型以及正

3、方體空心平行和垂直組合模型的流場流態(tài)，結(jié)果顯示：對于同種模型而言，隨著流速的增大，上升流和回流的規(guī)模均逐漸增大；由于空隙的滲流影響，相同來流速度下，相同種類的空心模型比實(shí)心模型的回流規(guī)模小，最大回流速度減少了近50％，回流區(qū)長度比和高度比減小了50％；并且回流規(guī)模與空隙率成反比。各模型湍流強(qiáng)度均隨工況速度增大而增大，相同來流速度下，y方向的湍流強(qiáng)度比x方向的湍流強(qiáng)度大1倍左右。正方體組合模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明組合模型產(chǎn)生的流場互相作用，流態(tài)更

4、復(fù)雜，影響范圍更大，人工魚礁的生態(tài)效應(yīng)更好。 其次針對正方體、三棱柱及金字塔型人工魚礁實(shí)體模型，設(shè)計(jì)了數(shù)值模擬方案。根據(jù)流動相似性原理以及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的工況設(shè)定相對應(yīng)的來流速度，運(yùn)用大渦模擬湍流模型模擬不同礁體模型產(chǎn)生的流場，選擇具有代表性的測點(diǎn)水平和垂直方向流速，無量綱化后與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，以檢驗(yàn)數(shù)值計(jì)算的可行性。通過對比分析發(fā)現(xiàn)兩實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)平均流速相差8％，對應(yīng)測點(diǎn)的流速也非常接近，從而驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模擬人工魚礁流場的可行

5、性和準(zhǔn)確性。 最后，根據(jù)浙江嵊泗海域投放的人工魚礁類型和組合方式選擇三十一種人工魚礁模型及其組合，利用數(shù)值計(jì)算模擬其產(chǎn)生的流場。選定了人工魚礁流場效應(yīng)的優(yōu)選模式并對其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。分別通過優(yōu)選計(jì)算、流場流速圖以及上升流和回流的等值線圖，比較不同類型及其組合的人工魚礁模型產(chǎn)生的模型流場效應(yīng)大小。結(jié)果表明，同類型的人工魚礁模型產(chǎn)生的流場效應(yīng)實(shí)心模型大于空心模型，但是上升流和回流單位體積效應(yīng)空心模型遠(yuǎn)大于實(shí)心模型。不同類型人工魚礁

6、單體模型產(chǎn)生的流場效應(yīng)正方體模型>三棱柱模型>金字塔模型。對于不同高度正方體三組合模型而言，礁高水深比為0.20和0.12時(shí)三組合魚礁產(chǎn)生的流場效應(yīng)較好。3m高度的人工魚礁及其組合產(chǎn)生的上升流高度為礁高的5.37～9.92倍，寬度為礁高的1.58～2.87倍，上升流速度為來流速度的0.73～1.14倍；回流高度為礁高的1.81～5.73倍，寬度為礁高的1.06～1.59倍，最大逆向回流速度為來流速度的0.46～1.12倍。從優(yōu)選模式計(jì)算