三种叠放形式的圆管型人工鱼礁流场效应数值模拟与PIV试验研究*

郑延璇 梁振林 关长涛 宋协法 李 娇 崔 勇李 强 单晓鸾 徐雯雯



三种叠放形式的圆管型人工鱼礁流场效应数值模拟与PIV试验研究*

郑延璇1, 2梁振林1, 3关长涛2①宋协法1李 娇2崔 勇2李 强4单晓鸾4徐雯雯4

(1. 中国海洋大学 海洋生物水环境工程实验室 青岛 266003; 2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所 农业部海洋渔业可持续发展重点实验室 碳汇渔业实验室 青岛 266071; 3. 山东大学(威海) 渔业工程实验室 威海 264209; 4. 乳山市海洋与渔业局 威海 264500)

人工鱼礁单体按不同的数量和排列方式组合投放会产生不同的流场效应。圆管型礁为目前黄渤海区增殖礁的重要礁体型式, 为优化该礁体的投放数量与排列方式, 选择了3种不同叠放个数(1个、3个和6个)的圆管礁, 设定了5个流速梯度(4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s), 利用PIV粒子图像测速技术和Fluent数值模拟软件对圆管型人工鱼礁的流场进行水槽模型试验和数值模拟。结果表明, 数值模拟结果与水槽试验结果基本吻合, 误差在20%以下, 表明数值模拟能够反映人工鱼礁的流场效应; 当礁体叠放个数一定时, 最大上升流流速、上升流高度和上升流面积均随来流速度的增加而增大, 背涡流面积呈现不规则的变化; 当来流速度一定时, 最大上升流流速、上升流面积、上升流高度和背涡流面积均随礁体叠放个数的增加而增大。

人工鱼礁; 流场效应; 数值模拟; PIV试验

人工鱼礁是人为地在海中投放的构造物, 能够利用海洋生物的行为特性, 将生物诱集到鱼礁区, 为海洋生物提供一个良好的生长、繁育的人工场所。人工鱼礁投放到海域后会产生多种效应, 如饵料效应、流场效应等, 其中流场效应被认为是人工鱼礁的主要影响机制。研究表明人工鱼礁的流场效应决定着海域的营养盐和初级生产力水平, 显著影响鱼礁的生物诱集和增殖功能(王宏等, 2009)。

目前, 国内外学者对于人工鱼礁流场效应的研究主要为水槽试验和风洞模型试验, 也有少数学者将粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术和计算机数值模拟应用到人工鱼礁流场效应的研究中。日本学者中村充(1979)在数学形式上将人工鱼礁的受力表示成流速和流速导数的函数。关长涛等(2010)利用粒子图像测速方法对复合M型鱼礁模型周围的流场进行了分析。刘彦等(2010)利用粒子图像测速方法研究了星体型人工鱼礁周围的流场变化。此外, 还有部分学者利用计算机数值模拟的方法对人工鱼礁区流场特性进行研究(刘同渝, 2003; 虞聪达等, 2004; 潘灵芝等, 2005)。崔勇等(2009, 2011)采用ANSYS软件对单体星型礁和不同布设间距的组合正方体礁周围的流场进行了分析, 证明了数值模拟能够准确的反映人工鱼礁周围的流场分布。Jiang等(2010)利用Fluent软件和PIV水槽模型试验分析了单体立方体礁的受力和流场效应, 数值模拟结果与实验结果基本一致, 表明数值模拟能较好的反映人工鱼礁周围上升流和背涡流情况。李珺等(2010)采用LES(大涡模拟)紊流模式, 对米字型人工鱼礁单体周围的流场进行了三维模拟, 并将模拟结果与水槽试验结果相比较, 表明利用三维数值模拟计算方法模拟人工鱼礁的流场变化是可行的。

圆管型人工鱼礁是一种常用礁型, 经过近年来的投放使用, 发现其集鱼效果显著, 生态效应良好。由于圆管礁为了保持其结构的稳定性和坚固性, 礁体规格较小, 因此在投放时, 常采用成堆投放的方式, 在海底形成的礁群形状也多种多样, 所以礁群周围的流场效应也不同。本文利用PIV技术, 对不同叠放个数圆管型人工鱼礁周围的流场进行模型试验, 同时利用Fluent软件, 做了相同规格尺寸、相同水域环境下的数值模拟, 以期能够通过综合分析PIV模型试验结果和数值模拟结果, 为人工鱼礁结构设计、投放形式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 PIV模型试验

1.1.1 试验装置 PIV测试技术能够在不干扰流场的情况下精确得到二维流场的速度场分布, 具有无接触、无扰动、准确度高的特点, 特别适用于湍流等非定常复杂流场的测量, 是研究湍流等复杂形态瞬态流动的有力手段(胡海豹等, 2007; 刘彦等, 2010)。

PIV流场试验于2012年4月在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室PIV水槽中进行。该水槽长22m、宽0.45m、高0.6m, 试验段水槽底部和侧面均由透明玻璃构成, 一端配有造流系统通过调节造流装置的电机频率()来改变流速, 水深设定为0.5m, 水体为自来水。试验采用美国TSI公司设计的PIV系统, 主要包括高速CCD相机、EPIX(R)图像采集卡等, 示踪粒子采用聚氯乙烯(PVC)粉末, 试验光源采用激光, 激光脉冲采用同步仪控制。圆管礁原型尺寸为：圆管外直径0.5m, 高1.0m, 壁厚0.05m。根据鱼礁投放实际水深(10m)和水槽最大水深(0.5m), 确定鱼礁模型比尺为1∶20, 材料为有机玻璃。模型尺寸为：圆管外直径为0.025m, 高度为0.05m, 壁厚为0.0025m。实验装置如图1所示。

1.1.2 试验方法和内容 试验时, 将与流体密度相当并且具有良好跟随性和反光性的示踪粒子投入到所研究的流体空间, 把鱼礁放置在水槽的中间测试区域, 为了避免鱼礁出现滑移、滚动现象, 将礁体固定在玻璃上。由于鱼礁模型粘贴在非常光滑的玻璃板上, 边界层对试验的影响效果并不显著, 可以假设为光滑的平面。因此在水槽模型试验与数值模拟研究鱼礁周围流场效应时, 均忽略了底部边界层对实验精度的影响。激光从水槽底部打向模型的中轴面, 将声学多普勒(ADV)流速仪设置在鱼礁的上游位置, 当ADV流速仪显示来流速度达到试验流速时, 使用CCD高速摄像机捕捉粒子跟随流体运动的图像, 每个流速采集2次, 每次采集50对图像, 每对图像采集的时间间隔为0.4s, 用Insight 3G软件对图像进行分析即可得相应流场的流速分布。将每50个流场分布图利用Tecplot软件计算该时段的平均流场分布, 可得两组平均流场分布图, 取其平均, 则认为是该流速下的流场分布。

图1 PIV试验布置示意图

圆管型礁体流场试验分3种叠放数目, 分别由1个圆管、3个圆管与6个圆管组成。鱼礁结构如图2所示。根据鱼礁投放海域的最大流速和试验流速的梯度设计, 选取5个海域实际流速, 依次为20、40、60、80、100cm/s。由于在水槽模型试验中, 水流的主要作用力是重力、惯性力和紊动阻力, 因此在保证主要作用力相似, 忽略次要力的基础上, 使模型试验的精度满足需要。根据重力和紊动阻力相似准则, 试验流速依次为4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s。在这5种试验流速下, 雷诺数在103—104之间, 根据相似与模化理论, 流场进入“自动模型区”(周应祺, 2001)。

3种叠放数目鱼礁的最大长度为0.075m, 宽度为0.05m, 水槽长度为22.0m, 宽度为0.45m。试验时, 将礁体摆放在水槽中间位置, 水槽长度满足了鱼礁模型试验的要求, 鱼礁距离水槽侧壁的距离达到了4倍的礁体宽度, 可以忽略壁面效应的影响, 因此也基本满足模型试验的要求。

1.2 数值模拟方法

1.2.1 控制方程和标准-湍流模型 根据人工鱼礁区流体的特性, 将流体假设为不可压缩、定常、粘性流体。时均连续方程和Reynolds方程如下(王福军, 2004):

图2 单个圆管、3个圆管和6个圆管礁叠放方式示意图

其中,G是由于平均梯度引起的湍动能的产生项,eff为有效湍动粘度,1和2为经验常数, 这些项和系数的计算公式如下：

式中,μ为湍动粘度;为无量纲参数;0C均为常数;E为时均应变率。

1.2.2 数值模拟模型 模拟采用的人工鱼礁规格与PIV试验中模型的规格一致, 具体尺寸为圆管外直径0.025m, 高0.05m, 壁厚0.0025m。

1.2.3 计算域和边界条件 计算域尺寸的设定是根据PIV试验中水槽的尺寸和鱼礁单体的尺寸综合决定的。在模拟中, 将计算域的宽度设定为水槽的宽度0.45m, 计算域的高度设定为水深高度0.5m, 计算域的长度则根据鱼礁单体的尺寸进行设定, 为16倍的礁体长度(鱼礁前方5倍, 鱼礁后方10倍), 以确保尾流区的范围能达到10倍的礁体尺寸。计算域尺寸设定如图3所示。

图3 计算域尺寸的设定

数值模拟中设定的边界条件如下(王福军, 2004; Huggins, 2004, 2005)：

(1) 入口边界条件选择速度入口边界条件(5个入口流速), 其中湍动能强度和湍流尺度都是根据计算域的各项参数预先计算好的。由于动力水槽在造流时受电压等影响, 存在造流不稳定的问题, 所以模拟采用的具体流速大小根据水槽试验的实际测量值来确定。

(2) 出口边界条件选用压力出口边界条件, 在出口边界处设置的静压是相对压力。

(3) 鱼礁个体及底面设定为壁面边界条件, 并且采用默认的无滑移边界条件。

1.3 人工鱼礁流场效应评价指标的计算方法

虞聪达等(2004)研究表明, 不同类型船礁组合产生的最大上升流流速为来流速度的0.05—0.15倍, Liu等(2012)认为, 研究人工鱼礁流场效应时, 当竖直方向(轴)的流速等于或者大于10%的来流速度时, 就把该区域定义为上升流区域。为此, 本文借鉴上述研究结论, 将竖直方向流速大于等于0.1倍来流速度的区域定义为上升流区域, 上升流高度和背涡流高度都是以鱼礁底部为零点计算的。背涡流面积为背涡流高度和长度的乘积。谢亮(2010)指出, 在计算不规则形状的面积时, 采用传统方法可能比较费力, 利用Photoshop可以将图像中特定的区域做成一个选区, 然后通过统计选区中的像素数目来计算出面积, 再通过比例尺的换算, 得到实地面积。因此在本文中, 上升流面积的计算采用Photoshop像素法。

2 结果与讨论

人工鱼礁的流场效应主要表现在鱼礁前方的上升流区域与鱼礁后方的背涡流区域(刘同渝, 2003; 王宏等, 2009)。因此, 本文在分析人工鱼礁流场效应时主要考虑鱼礁周围上升流和背涡流的分布情况。

2.1 不同个数礁体叠放的流场效应

2.1.1 单个圆管礁 图4为PIV试验(左)和Fluent数值模拟(右)中5个流速下单个圆管礁周围流场的分布情况。从图中可以看出, 不论是模型试验还是数值模拟, 在圆管礁上方都形成了非常明显的上升流, 在礁体后方也形成了明显的背涡流。但是从图中可以看出, PIV试验中背涡流的形状不是很明显, 与数值模拟存在偏差, 这主要有两方面原因: 一是因为在速度矢量图中, 流速大小不仅用颜色表示, 也与线段的长短有关, 因此PIV模型试验的矢量图中背涡流形状不是很明显, 但是可以通过加入轨迹线的办法画出PIV试验中背涡流的形状; 二是模型试验存在误差, 这些误差可能由多个因素引起, 例如示踪粒子的密度、水槽的震动等。

(1) 上升流 在分析人工鱼礁上升流效应时, 选择最大上升流流速、上升流高度和上升流面积作为衡量上升流效应的指标。从图5中可以看出, PIV试验与Fluent数值模拟均能反映出模型礁体上方存在上升流。最大上升流流速随来流速度的增加不断增大, 流速计算值相对于测量值之间的相对误差在0— 18.18%之间, 来流速度越大误差越大; 上升流高度受来流速度的影响, 整体表现为上升趋势, 计算值对于测量值之间的相对误差在2.78%—13.19%之间, 来流速度越小误差越大; 上升流面积随来流速度的增加逐渐增大, 但面积计算值的增大幅度远远小于面积测量值, 相对误差在1.29%—10.91%之间, 整体表现为来流速度越小, 误差越大。

(2) 背涡流 本文选择背涡流面积作为衡量人工鱼礁背涡流效应的重要指标。由图5d可以看出, 背涡流面积的计算值和测量值受来流速度的影响不是很大, 整体表现为随来流速度的增加而逐渐减小的趋势, 计算值对于测量值之间的相对误差在0.50%—14.22%之间, 流速越大误差越大。

2.1.2 3个圆管礁

(1) 上升流 图6a为3个圆管礁周围的最大上升流流速, 从图中可以看出, 随着来流速度的增加, 最大来流速度的计算值和测量值均不断增大, 计算值略大于测量值, 计算值较测量值之间的相对误差在4.00%—16.18%之间。图6b为上升流高度与礁高比值的示意图, 从图中可以看出, 随着来流速度的增加, 上升流高度的计算值和测量值均增大, 但计算值的增大幅度小于测量值的增大幅度, 整体表现为计算值大于测量值, 计算值对于测量值之间的相对误差在4.09%—14.11%之间, 来流速度越大误差越小, 其原因也可能是失踪粒子的密度略大约水的密度。图6c为上升流面积与迎流面积的比值, 从图中可以看出, 上升流面积的计算值和测量值均随来流速度的增加而增大, 计算值大于测量值, 计算值对于测量值之间的相对误差在3.18%—19.16%之间, 在大流速下误差较小。

(2)背涡流 图6d为3个圆管礁周围的背涡流面积与迎流面积的比值, 从图中可以看出, 背涡流面积随来流速度的增大呈现先增大后减小再增大的波动, 计算值略大于测量值, 相对误差在10.39%— 15.83%之间, 流速越大, 误差越大。

2.1.3 6个圆管礁

(1)上升流 图7a为6个圆管礁周围的最大上升流流速, 从图中可以看出, 最大上升流流速的计算值和测量值均随来流速度的增加而增大, 表现为计算值略大于测量值, 相对误差在2.04%—12.88%之间。图7b显示上升流高度也随来流速度的增加不断增大, 计算值对于测量值的相对误差在0—11.00%之间。图7c为上升流面积与迎流面积, 随来流速度的增加, 上升流面积的计算值和测量值均不断增大, 计算值略小于测量值, 相对误差在2.90%—14.01%之间。

图4 5个流速下单个圆管鱼礁周围的流场分布

左侧图片均为PIV试验流场分布图, 右侧图片均为数值模拟流场分布图

图5 单个圆管鱼礁的最大上升流流速与来流速度的比值(a)、上升流高度与礁高比值(b)、上升流面积与迎流面积比值(c)、背涡流面积与迎流面积比值(d)

最大上升流流速:max; 来流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面积:up; 迎流面积:; 背涡流面积:back; 迎流面积:

图6 3个圆管鱼礁的最大上升流流速与来流速度的比值(a)、上升流高度与礁高比值(b)、上升流面积与迎流面积比值(c)、背涡流面积与迎流面积比值(d)

最大上升流流速:max; 来流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面积:up; 迎流面积:; 背涡流面积:back; 迎流面积:

图7 6个圆管鱼礁的最大上升流流速与来流速度比值(a)、上升流高度与礁高比值(b)、上升流面积与迎流面积比值(c)、背涡流面积与迎流面积比值(d)

最大上升流流速:max; 来流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面积:up; 迎流面积:; 背涡流面积:back; 迎流面积:

(2) 背涡流 图7d为6个圆管后的背涡流面积与迎流面积的比值, 从图中可以看出, 背涡流面积随来流速度的增加而增大, 计算值大于测量值, 相对误差在1.53%—9.41%之间, 来流速度越大, 误差越大。

分析上述3种圆管礁在数值模拟和水槽试验的误差情况, 可以看出：在最大上升流流速上, 来流速度越大, 误差越大, 主要是因为在PIV试验中, 大流速下, 上升流区域的流场发生一定的扰动, 导致PIV试验测得的流速偏小, 误差较大; 在上升流高度上, 来流速度越小, 误差越大, 这与水槽试验中采用的示踪粒子密度略大于水(=1050kg/m3)有关。在小流速下, 粒子跟随性下降, 导致误差较大; 在背涡流面积上, 来流速度越大误差越大, 分析原因是在Fluent数值模拟中, 涡流能非常理想的收敛, 而在PIV试验中, 涡流收敛不明显, 流速越大, 收敛越慢, 误差越大。但以上误差均在允许范围内, 表明数值模拟和水槽试验具有良好的吻合性。

2.2 单个、3个和6个圆管礁周围流场效应的比较

由于3种叠放数目的鱼礁在PIV试验与模拟中实际采用的流速略有不同, 但差别不大, 因此在分析三者区别时, 均采用理想流速, 即0.045、0.09、0.135、0.18和0.225m/s来区分5个流速下的鱼礁周围的流场分布。此外为了更加明确的表达鱼礁周围形成的上升流和背涡流的规模, 在此引入了绝对高度、相对高度和绝对面积、相对面积的概念。绝对高度是指鱼礁周围形成的各评价指标的实际高度, 相对高度指实际高度与礁高的比值; 绝对面积指鱼礁形成的各评价指标的实际面积, 相对面积则是指实际面积与迎流面积的比值。通过比较鱼礁各评价指标的相对值, 可以得到鱼礁形状对流场效应的影响, 而通过比较鱼礁各评价指标的绝对值, 则可以得到鱼礁个数对鱼礁周围流场的影响。

图8a是三种数目鱼礁在五种来流速度下的最大上升流流速, 从图中可以看出, 6个圆管礁叠放后前方形成的最大上升流流速略大于其他两种, 说明6个圆管组成的单位礁形成的上升流强度较大。图8b显示鱼礁前方形成的上升流高度受来流速度的影响不大, 但随着鱼礁摆放个数的增大, 形成的上升流的相对高度逐渐减小, 这表明, 三种形状的单位礁随着构成单位礁的鱼礁个数的增加, 上升流高度不断减小; 通过数据分析可知, 上升流的绝对高度随鱼礁个数的增加显著增大, 表明鱼礁投放个数越多, 形成的上升流的绝对高度越大。图8c表明6个圆管礁上方形成的上升流的相对面积略大于另外两种, 说明随着构成的单位礁中鱼礁个数的增加, 上升流的相对面积略有增大; 同时数据显示, 形成的上升流的绝对面积显著增加, 表明随着圆管礁投放个数的增加, 上升流的绝对面积不断增加。图8d为背涡流面积与迎流面积的比值, 从图中可以看出, 背涡流的相对面积随鱼礁个数的增加而增大, 表明三种形状的单位礁中, 背涡流的规模随着构成单位礁的圆管的个数增加而增大; 另外背涡流的绝对面积随着鱼礁投放个数的增加显著增大, 表明投放鱼礁个数越多, 背涡流面积越大。

图8 3种叠放个数鱼礁形成的最大上升流流速与来流速度比值(a)、上升流高度与礁高比值(b)、上升流面积与迎流面积比值(c)、背涡流面积与迎流面积比值(d)的比较

最大上升流流速:max; 来流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面积:up; 迎流面积:; 背涡流面积:back; 迎流面积:

3 结论

根据三种叠放个数圆管礁的PIV二维流场测试结果和Fluent数值模拟结果, 通过分析鱼礁周围流场的数据可得到以下结论：

(1)PIV二维流场测试结果与Fluent数值模拟结果较吻合, 流场各评价指标的误差均在20%以下, 表明数值模拟结果能够较好的反应人工鱼礁周围的流场分布, 可以用来补充模型试验结果的不完善性。

(2)对于三种叠放个数的圆管礁, 实验结果和模拟结果均显示在来流速度增加时, 鱼礁周围的最大上升流流速、上升流高度和上升流面积均增大, 表明上升流规模随着来流速度的增加而增大; 背涡流面积的变化没有规律性, 可能是由试验误差所引起的。

(3)在来流速度保持一定时, 上升流面积、背涡流面积的绝对值均随鱼礁叠放个数的增加而增大, 表明上升流规模和背涡流规模随着鱼礁个数的增加而增大。原因是圆管礁在叠放在一起时, 鱼礁的规模增大, 因此鱼礁周围的流场效应也增强; 另外鱼礁的上升流面积和背涡流面积的相对值也随着个数的增加而增大, 表明在单位礁的尺寸基本一致时, 构成单位礁的个数越多, 流场效应越强, 原因是各圆管组合在一起时能够形成一个协同效应, 各圆管之间相互作用, 增大了鱼礁的流场效应。

本文通过PIV试验和Fluent数值模拟分析了不同叠放个数圆管型人工鱼礁周围的流场分布情况, 并通过比较测量值和计算值, 验证了数值模拟分析鱼礁流场分布的可行性。通过不同叠放个数鱼礁周围流场的分析, 发现了一些差异和规律, 为圆管型人工鱼礁的投放提供了一定的理论依据, 同时也为人工鱼礁结构的设计提供了有价值的参考。

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NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY ON FLOW FIELD OF ARTIFICIAL REEFS IN THREE TUBE-STACKING LAYOUTS

ZHENG Yan-Xuan1, 2, LIANG Zhen-Lin1, 3, GUAN Chang-Tao2, SONG Xie-Fa1,LI Jiao2, CUI Yong2, LI Qiang4, SHAN Xiao-Luan4, XU Wen-Wen4

(1. Ocean University of China, Lab for water environmental engineering of marine biology, Qingdao 266003, China; 2. Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture, Carbon-Sink Fisheries Laboratory, Qingdao 266071, China; 3. Shan Dong University, Weihai, Lab for fisheries engineering, Weihai 264209, China; 4. Rushan City Ocean and Fishery Administration, Weihai 264500, China)

Stacking forms of fixtures in an artificial reef at seabed affect local flow field. Tubes are widely used for artificial reefs construction in Yellow Sea and Bohai Sea. In order to optimize the function of the reefs, particle image velocimetry and Fluent numerical simulation were applied for analyzing flow fields around reefs built with tubes in three stacking strategies, i.e., single-, triple-, and hexad-tube-stacking layouts at five water flow velocities (4.5, 9.0, 13.5, 18.0, and 22.5cm/s). The results of numerical simulation are consistent with the experimental result in error of < 20%. The maximums of upwelling in velocity, height, and area increased with the increment of velocity while the maximum area of vortices varied irregularly. In addition, these maximums increased with the increment of the number of tubes in stack.

artificial reefs; effect of flow field; numerical simulation; PIV experiment

10.11693/hyhz20121108001

* 公益性行业(农业)科研专项, 201003068号; 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目, 2010-CHB-01号, 20603022011006号。郑延璇, 博士研究生, E-mail: xuanxuan861220@163.com

关长涛, 研究员, E-mail: guanct@ysfri.ac.cn

2012-11-08,

2013-04-11

S931