圆台型人工鱼礁单体流场效应的数值模拟*

兰孝政， 万　荣， 唐衍力， 黄六一， 赵芬芳， 鲍伟光， 刘长东， 王召磊

(中国海洋大学水产学院，山东 青岛 266003)



圆台型人工鱼礁单体流场效应的数值模拟*

兰孝政， 万荣**， 唐衍力， 黄六一， 赵芬芳， 鲍伟光， 刘长东， 王召磊

(中国海洋大学水产学院，山东 青岛 266003)

应用CFD软件FLUENT开展了圆台型人工鱼礁单体流场效应的数值计算，对比分析了圆台型人工鱼礁与金字塔型、三棱柱型、方型人工鱼礁的上升流最大高度、最大速度、平均速度等参数，讨论了圆台型礁的背涡区尺寸和流态。研究显示，圆台型礁的上升流最大高度可达礁体高度的2.14～2.17倍，上升流最大速度可达来流速度的0.76倍，上升流平均速度可达来流速度的0.125倍；背涡区长度约为礁体高度的2.3倍。研究结果表明，圆台型人工鱼礁流场流态的大部分指标优于其它4种常见礁型的流场流态，且背涡区漩涡多变、流态复杂，具有较好的应用前景。

圆台型人工鱼礁； 流场效应； 数值模拟； 水槽实验

引用格式：兰孝政， 万荣， 唐衍力， 等. 圆台型人工鱼礁单体流场效应的数值模拟[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2016, 46(8): 47-53.

LAN Xiao-Zheng, WAN Rong, TANG Yan-Li, et al. Numerical simulation of the flow field around the truncated-cone shaped artificial reef [J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(8): 47-53.

近十多年来，以人工鱼礁建设、增殖放流为主要内容的海洋牧场建设已成为中国近海渔业资源修复与保护的重要手段，并取得了显著成效。大量实践表明,通过在适宜的海域投放人工鱼礁，可以改善局部水域的流场环境、生物环境和鱼类栖息环境，促进该海域渔业生态环境的修复，从而达到增殖渔业资源的目的。

在人工鱼礁区设计与规划中要求人工鱼礁投放后的流场效应要有利于促进水域饵料生物的富集和鱼类的集聚。由于人工鱼礁流场效应主要受投放水域底质、地形、本底流场和礁体形状及其配置方式等因素的影响，因此掌握和了解不同类型人工鱼礁礁体的水动力学特性，对于礁型选择和人工鱼礁区的设计与规划具有重要意义。风洞或水槽模型实验是人工鱼礁水动力学研究的传统方法，具有实验条件可控、实验过程直观等优点，但需要建造昂贵的风洞或水槽实验设施，实验费用较高。近年来，随着计算流体动力学的迅速发展及其应用领域的拓展，许多研究者开始尝试将CFD理论与技术应用于人工鱼礁流场效应的数值模拟研究。例如，Fujihara采用数值模拟法分析礁体上升流流态变化[1]，为人工鱼礁的流场研究提供了新思路。潘灵芝对实心方型礁体的二维流场进行了数值模拟分析[2]；刘洪生[3]、李珺[4]借助水槽实验，验证了正方体、三棱柱型、金字塔型和米字型人工鱼礁流场效应的数值模拟研究的可行性；随着CFD技术在人工鱼礁流场效应研究中应用的深入，先后在礁体开孔[5]、迎流面形状[6]、礁体与水流的摆放角度[7]、礁体布设间距[8]、投放个数与排列方式[9]等诸要素对人工礁体流场效应的影响研究方面，取得了系列成果，经历了从二维流场到三维流场模拟，从简单礁型到复杂礁型的发展过程。

本文借助CFD软件FLUENT，以圆台型人工鱼礁为研究对象，建立人工鱼礁流场效应的数值模拟分析平台，开展不同来流条件下圆台型人工鱼礁流场效应的数值模拟研究，通过计算礁体上升流和背涡流特征，分析其形成机制及主要影响因素，为人工鱼礁选型和礁区设计与规划提供科学依据。

1　材料与方法

1.1 实物礁体

如图1所示，圆台型人工鱼礁礁体高2.4m，坡度320%，上、下表面直径分别为1.5、3.0m，礁体壁厚0.1m。其中，在礁体壁面上均匀开有8个长方型缝隙(0.1m×1.2m)，缝隙开口宽度0.1m，其上缘距离礁体上表面0.6m。由于本实验仅限于分析人工鱼礁的流态变化，故不考虑礁体重量、使用年限等因素。

图1　圆台型人工鱼礁结构图

1.2 水槽模型实验

根据模型实验水槽的实际条件，确定模型尺度比λL=20，模型实验按照重力相似准则进行。圆台型人工鱼礁为钢筋混凝土结构，糙率为0.014。根据糙率相似原理，鱼礁模型的糙率为0.0085，选取有机玻璃作为模型材料[10]。以鱼礁底面圆心为原点，建立三维直角坐标系，x轴正向为来流方向，y轴正向为铅直向上，z轴分别垂直于x和y轴。如图2所示，将模型礁体置于水槽测试区域，并使其中的一个开缝正对来流，所设置的49个测速点均分布于礁体的中心纵截面上(z=0截面)。

图2　人工鱼礁模型实验流速测点分布示意图

模型实验在中国海洋大学“增养殖工程水动力实验室”的动水槽中进行。实验时将模型礁体固定于光滑薄铜板上，以防礁体出现滑移、滚动。假设薄铜板为光滑平面，其边界层对流场的影响可以忽略[9]。设定水槽实验的流速为0.18m·s-1(相当于实际流速0.80m·s-1)，采用多普勒声学测速仪测量各测点的流速。

1.3 数学模型

假设流体为不可压缩的黏性流体，且不考虑流场温度变化[11]，则水流流经鱼礁礁体的控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.3.1 计算域图3为圆台型人工鱼礁流场计算域示意图。如图所示，设定x和y方向计算域长分别为27m(鱼礁前9m、后15m)和12m，z轴方向计算域为18m，且呈左右对称。为计算方便，将计算域再次划分成A、B两部分，其中B部分尺寸在x和y方向的长度分别为14和7.2m。

1.3.2 网格划分和边界条件采用ICEM分别对A、B两部分进行网格划分，A部分采用六面体网格划分，B部分采用四面体网格划分。六面体网格质量高且需要生成的网格数量相对较少，而四面体网格能很好地贴合复杂几何模型。将A、B两部分网格分别导入FLUENT，通过interface建立联接[12]。

其次，进行网格独立性检验，最终将A、B两部分网格最大尺寸分别设置为0.3和0.2m，靠近鱼礁表面网格加密。

数值模拟的边界条件采用速度入口、压力出口，礁体底面及侧面采用无滑移壁面边界条件，上表面为滑移壁面边界条件[13]。

图3　鱼礁单体计算域及其侧视图、俯视图

2　结果与讨论

2.1 实验验证

图4和5分别为实际来流速度0.8m·s-1时，各测点x方向与y方向流速的水槽实测值与数值计算值的比较。如图4、5所示，在礁体前部及上方远离鱼礁处，各点流速几乎不受鱼礁的影响；在礁体近前方附近，呈现x方向流速下降，y方向流速增加的趋势，其中个别测点处x方向速度接近0，而y方向流速处于峰值。各测点速度的整体变化趋势实测值(虚线)与数值模拟结果(实线)基本一致。方差检验表明，在误差较大的测点处(位于礁体背涡区的P31、P37)，其不同时刻所测数据之间的方差较大，表明实际流态变化剧烈，紊流强度大，从而也使得其实际测量难度加大。如图4、5所示，在位于礁体背涡区的P31、P37处，速度在x、y方向的数值计算值均为负值，这是因为在礁体的背涡区形成了顺时针漩涡，此结果与刘洪生[3]、李珺[4]所得结果吻合。

图4　x方向流速水槽实验与数值模拟结果的比较

图5　y方向流速水槽实验与数值模拟结果的比较

2.2 比较与分析

由于人工鱼礁的投放导致鱼礁区流态的变化(例如产生背涡流、上升流等)，从而引起礁区生物生境改变，因此，本文结合数值模拟结果，重点分析不同来流速度下圆台型人工鱼礁周围上升流与背涡流的强度、影响范围，以探讨圆台型人工鱼礁的流场效应。

2.2.1 上升流特性为便于分析比较，将y方向速度分量与来流速度之比大于或等于5%的区域定义为上升流区[14]。图6为圆台型人工鱼礁附近z=0m截面上的流速分布随来流速度变化的数值模拟结果，采用不同颜色表现不同区域的流速差异，比色柱最左端的蓝绿色表示流速接近0，右端的红色代表最大流速，约为来流速度的1.5倍，从蓝绿色向红色渐变，即速度不断增大。如图6所示，在各流速下礁体迎流面上方均产生了明显的上升流区域。

图6　不同来流速度下在z=0截面上圆台型人工鱼礁的速度分布

表1为圆台型人工鱼礁与金字塔型等4种其它构型的人工鱼礁[15-18]上升流特征参数的结果比较。数值计算结果显示:

(1)随着来流速度的增大，圆台型人工鱼礁上升流最大高度(Hmax)在5.13～5.22m之间波动，几乎不随来流速度的增加而改变，约为鱼礁高度(H)的2.14～2.17倍，明显大于底面边长和礁高均为3m的金字塔型鱼礁(Hmax/H=1.77)，但小于边长均为3m的三棱柱型鱼礁(Hmax/H=2.88)、多孔方型鱼礁(Hmax/H=2.68)和无孔方型鱼礁(Hmax/H=2.63)。

(2)上升流最大速度Vmax与来流速度V的比值(Vmax/V)为0.76，也几乎不随来流速度的增加而变化。Vmax/V值与金字塔型鱼礁相同，略大于多孔方型鱼礁(Vmax/V=0.74)，明显大于三棱柱型鱼礁(Vmax/V=0.58)和无孔方型鱼礁(Vmax/V=0.64)。由此可见，圆台型人工鱼礁可产生较大的最大上升流流速。

(4)圆台型鱼礁的上升流最大高度Hmax与礁体迎流面投影面积S的比值(Hmax/S)为1.60，明显大于底面边长和礁高均为3m的金字塔型鱼礁(Hmax/S=1.18)、边长均为3m的三棱柱型鱼礁(Hmax/S=0.96)、多孔方型礁(Hmax/S=1.15)和无孔方型礁(Hmax/S=0.88)。

此外，数值计算结果还显示，在各流速条件下，上升流最大速度值均出现于圆台型鱼礁纵截面左侧顶部端点(p25，-0.80,2.45,0)附近，即靠近流动分离点处。

表1　5种礁型的主要流场效应指标

综上所述，迎流面投影面积对上升流的影响显著。此外，礁体迎流面坡度也是主导因素之一。例如，方型鱼礁迎流面的垂直结构阻流作用明显，整体上不利于来流沿竖直方向的加速；三棱柱型礁坡度为173%，对来流的加速起缓解作用，而圆台型礁与金字塔型礁的迎流面坡度在200%～400%之间，对来流加速的促进作用明显，其Hmax/S优于其它3种礁型。其次，礁体开口也是影响上升流的主要因素，多孔方型礁的开孔缓解了礁体的阻流作用，提高了礁体透水性，不利于上升流的产生。但是，适当的开口尺寸反而有利于上升流最大速度的产生。圆台型礁与多孔方型礁的开口结构增强了礁体的透水作用，不利于其上升流平均速度的提高，且圆台型礁带有弧度的迎流面形状，使来流更易于向礁体两侧绕流。三棱柱型与金字塔型礁虽然没有开口，但其迎流面的坡度结构更易产生较高的上升流平均流速。因此，礁体周围的上升流高度及其平均速度受到礁体的迎流面坡度、迎流面形状、迎流面投影面积及礁体开口等的综合影响。

2.2.2 背涡流特性大量实验研究表明，人工鱼礁不仅产生上升流，而且在其背后部会产生背涡流，形成背涡区。人工鱼礁背涡区的形成更易促使水层混合，丰富水体中的溶解氧和营养盐，其影响效应与背涡区范围及内部流态变化、漩涡大小与强度等因素有关。

如图6所示，圆台型人工鱼礁的流动分离点位于上表面的前端。由于边界层分离，在分离点下游的礁体壁面上不断有不稳定漩涡产生，并从壁面脱落，形成典型的尾迹流，组成速度很小的背涡区。数值计算结果表明，随着流速的增加，背涡区形态变化不大，即背涡流的结构几乎不随来流速度增加而改变，其背涡区长度均约为礁体高度的2.3倍，高度略大于礁体高度，约为礁体高度的1.2倍。

图7为不同来流速度下在z=0截面上鱼礁内部及背涡区的流速矢量图。由于圆台型人工鱼礁的迎流面倾斜且带有弧度，结合礁体表面缝隙的透水作用，其产生的漩涡更为复杂。如图7所示，仅鱼礁内部就形成了3个漩涡，鱼礁内部的上半部分前端形成一个顺时针漩涡，相邻靠后部分形成一个逆时针漩涡，由于缝隙的透水性，来流进入鱼礁内部，在鱼礁下半部形成一个顺时针漩涡。鱼礁背涡区也形成了多个漩涡，其中一个顺时针的大型漩涡几乎贯穿整个背涡区。背涡区上部靠近礁体顶端处有一顺时针小型漩涡，靠近鱼礁底部则形成一个逆时针小漩涡。从背涡区的放大图可以看出，圆台型人工鱼礁内部及背涡区流态复杂，形成多种漩涡，加剧了水层的混合。

图7　不同来流速度下在z=0截面上圆台型人工鱼礁背涡区流速矢量图

3　结论

本文基于CFD模拟技术，探讨了圆台型人工鱼礁在不同来流速度下的流场流态。

(1)通过水槽模型实验的初步验证，可初步认为数值模拟结果能够基本反应流场中礁体周围流态变化，满足圆台型人工鱼礁流场效应的研究需要。

(2)圆台型人工鱼礁产生的上升流最大高度、上升流最大高度与礁体迎流面投影面积比、上升流最大速度与来流速度比、上升流平均速度与来流速度比等主要特征参数几乎均不随来流速度的增加而改变。其中，上升流最大高度约为鱼礁高度的2.14～2.17倍，上升流最大高度与礁体迎流面投影面积比约为1.60，上升流最大速度与来流速度比约为0.76，上升流平均速度与来流速度比约为0.125。而且不同来流速度下上升流最大速度都出现于(-0.80,2.45,0)附近，靠近流动分离点。鱼礁迎流面坡度、投影面积、形状及开口等都是影响上升流流态的重要因素。

(3)不同来流速度下，背涡流的结构几乎不随来流速度增加而改变。圆台型鱼礁背涡区长度均约为礁体高度的2.3倍，背涡区高度约为礁体高度的1.2倍，且流态复杂、漩涡多变。

综上所述，圆台型人工鱼礁在与其它4种主要礁型的相比具有一定优势，可为今后人工鱼礁的投放提供一种有效的礁型选择，但今后有待于对其礁体稳定性及组合礁的流场流态等进行更为全面、深入的研究。

[1]Fujihara M, Takeuchi T G, Ohashi. Physical-biological coupled modeling for artificially generated upwelling[J]. Marine Biology, 1997, 189: 69-79.

[2]潘灵芝, 林军, 张守宇. 铅直二维定长流中人工鱼礁流场效应的数值实验[J]. 上海水产大学学报, 2005, 14(4): 406-412.

PAN Ling-zhi, LIN Jun, ZHANG Shou-yu. A numerical experiment of the efects of artificial reef on vertical 2-dimensional steady flow fiel[J]. Journal of Shanghai Fisheries University, 2005, 14(4): 406-412.

[3]刘洪生, 马翔, 章守宇, 等. 人工鱼礁流场风洞实验与数值模拟对比验证[J]. 中国水产科学, 2009, 16(3): 365-371.

LIU Hong-sheng, MA Xiang, ZHANG Shou-yu, et al. Validation and comparison between wind tunnel experiments and numerical simulation of flow field around artificial reefs[J]. Journal of Fishery Sciences of China, 2009, 16(3): 365-371.

[4]李琚, 章守宇. 米字型人工鱼礁流场数值模拟与水槽实验的比较[J]. 水产学报, 2010, 34(10): 1587-1594.

LI Jun, ZHANG Shou-yu. The comparison between numerical simulation and water channel experiment on an M i-zi artificial reef[J]. Journal of Fisheries of China, 2010, 34(10): 1587-1594.

[5]李琚, 林军, 章守宇. 方形人工鱼礁通透性及其对礁体周围流场影响的数值实验[J]. 上海海洋大学学报, 2010, 19(6): 836-840.

LI Jun, LIN Jun, ZHANG Shou-yu. The numerical experiment on the permeability of a cubic artificial reef and the efect on the flow field around the reef[J]. Journal of Shanghai Ocean University, 2010, 19(6): 836-840.

[6]付东伟, 栾曙光, 张瑞瑾, 等. 人工鱼礁开口比和迎流面形状对流场效应影响的双因素方差分析[J]. 大连海洋大学学报, 2012, 27(3): 274-278.

FU Dong-wei, LUAN Shu-guang, ZHANG Rui-jin , et al. Two-way analysis of variance of efects of cut-opening ratio and surface shape facing flowing in artificial fish-reefs on the flowing field[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2012, 27(3): 274-278.

[7]郑延璇, 关长涛, 宋协法, 等. 星体型人工鱼礁流场效应的数值模拟[J]. 农业工程学报, 2012, 28(19): 185-193.

Zheng Yan-xuan, Guan Chang-tao, Song Xie-fa1, et al. Numerical simulation on flow field around star artificial reefs[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(19): 185-193.

[8]林军, 章守宇, 叶灵娜. 基于流场数值仿真的人工鱼礁组合优化研究[J]. 水产学报, 2013, 37(7): 1023-1031.

LIN Jun, ZHANG Shou-yu, YE Ling-na. Optimization study of artificial reef assemblage based on the numerical simulation of flow field[J]. Journal of Fisheries of China, 2013, 37(7): 1023-1031.

[9]郑延璇, 梁振林, 关长涛, 等. 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[J]. 海洋与湖沼, 2014, 45(1): 11-19.

ZHENG Yan-Xuan, LIANG Zhen-Lin, GUAN Chang-Tao, et al. Numerical simulation and experimental study on flow field of artificial reefs in three tube-stacking layouts[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2014, 45(1): 11-19.

[10]唐衍力, 王 磊, 梁振林, 等. 方型人工鱼礁水动力性能试验研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2007, 37(5): 713-716.

TANG Yan-Li, WANG Lei, LIANG Zhen-Lin, et al. Test of the hydrodynamic performance of square artificial reefs[J]. Periodical of Ocean University of China, 2007, 37(5): 713-716.

[11]王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

WANG Fu-jun. Computational Fluid Dynamics Analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004.

[12]丁源, 王清. Ansys Icem CFD 从入门到精通[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012.

DING Yuan, WANG Qing. Ansys Icem CFD from Entry to Master[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2012.

[13]Huggins D L, Piedrahita R H, Rumsey T. Analysis of sediment transport modeling using computational fluid dynamics (CFD) for aquaculture raceways[J]. Aquacultural Engineering, 2004, 31(3-4): 277-293.

[14]黄远东, 付登枫, 何文荣. 人工鱼礁开口比对流场效应影响的三维数值模拟研究[J]. 水产资源与水工程学报, 2014, 25(4): 39-43.

HUANG Yuan-dong, FU Deng-feng, HE Wen-rong. Three dimensional numerical simulation on influence of cut-opening ratio of artificial reef on flow effect[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2014, 25(4): 39-43.

[15]何文荣, 黄远东, 黄黎明, 等. 金字塔型人工鱼礁绕流的三维CFD模拟研究[J]. 水资源与水工程学报, 2013, 24(5): 71-76.

HE Wen-rong, HUANG Yuan-dong, HUANG Li-ming, et al. Simulation of three-dimensional CFD of water flow at pyramid artificial reef[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2013, 24(5): 71-76.

[16]黄远东, 龙 催, 邓济通. 三棱柱型人工鱼礁绕流流场的CFD 分析[J]. 水资源与水工程学报, 2013, 24(1): 1-3.

HUANG Yuan-dong, LONG Cui, DENG Ji-tong. Analysis of water flow field based on CFD at a three-prism artificial reef[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2013, 24(1): 1-3.

[17]黄远东, 赵树夫, 姜剑伟, 等. 多孔方型人工鱼礁绕流的数值模拟研究[J]. 水资源与水工程学报, 2012, 23(5): 15-18.

HUANG Yuan-dong, ZHAO Shu-fu, JIANG Jian-wei, et al. Study on numerical simulation of water flow past a porous square artificial reef[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2012, 23(5): 15-18.

[18]黄远东, 姜剑伟, 赵树夫. 方型人工鱼礁周围水流运动的数值模拟研究[J]. 水资源与水工程学报, 2012, 23(3): 1-3.

HUANG Yuan-dong, JIANG Jian-wei, ZHAO Shu-fu. Study on numerical model of water flows past a square artificial reef[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2012, 23(3): 1-3.

责任编辑朱宝象

Numerical Simulation of the Flow Field Around the Truncated-cone Shaped Artificial Reef

LAN Xiao-Zheng, WAN Rong, TANG Yan-Li, HUANG Liu-Yi, ZHAO Fen-Fang,BAO Wei-Guang, LIU Chang-Dong, WANG Zhao-Lei

(College of Fisheries, Ocean University of Chain, Qingdao 266003, China)

Artificial reefs, built in the proper sea area, change the flow pattern of local waters thus improving the biological environment and the environment of fish habitat, which promote the restoration of fishery ecological environment and achieve the proliferation of fishery resources. Therefore, the effect on the flow field made by artificial fishery reefs is the basis of their effect on the ecosystem. The flow field is mainly affected by the shape of the artificial reefs. It is important to have a good understand on the hydrodynamic characteristics of various reefs for the shape-selection in the designing plan of artificial reefs. In the present work, the flow field around the truncated-cone shaped artificial reef was numerically simulated to investigate its hydrodynamic characteristics by means of CFD software FLUENT (a special software package for the computational fluid mechanics) under five incoming velocities (0.1, 0.2, 0.4, 0.6 and 0.8 meter per second respectively). And then, flume experiments were performed with the models of selected shape. Comparison between numerical and experimental results showed that the relative error was within twenty percent for more than eighty percent of measuring points. It may be concluded that the results of numerical simulation were reliable. Analyses of the maximum velocity of the upwelling current, the maximum upwelling height, average velocity of the upwelling current and other parameters of the truncated-cone shaped artificial reef, single-bodied, immersed in the flow field, were comparable with those of pyramid , three-prism , porous square and square artificial reefs. We discussed and analyzed also the wake vortices of the truncated-cone shaped artificial reef. The generation and pattern of flow separation, upwelling and vortex development were observed as the water flows past the artificial reefs. It was found that this was a typical flow around a bluff body including complicate nonlinear procedure. The numerical results obtained showed that the maximum upwelling height was 2.14～2.17 times of the reef height; the maximum and average velocities of the upwelling current were 0.76 and 0.125 times of the incoming velocity, respectively; and the length of the back vortex region was about 2.3 times of the reef height. In comparison with the other four types of artificial reefs including pyramid-shape, triangular prism and a square column with or without openings, it was found that the truncated-cone shaped artificial reef had a fairly good performance in most aspects of flow parameters. The wake vortices vary swiftly, which may lead to a complicated flow pattern in the wake of truncated-cone shaped artificial reef. It was expected that this type of artificial reef has a good prospect in the future application.

truncated-cone shaped artificial reef; hydrodynamic characteristics; numerical simulation; flume experiment

山东省科技发展计划项目(2011GHY11524)资助

2015-04-20；

2015-11-01

兰孝政(1988-)，男，硕士生。E-mail: ls-lxz@163.com

**通讯作者：E-mail：rongwan@ouc.edu.cn

S911

A

1672-5174(2016)08-047-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20150149

Supported by the Science and Technology Development Project of Shandong Province(2011GHY11524)