圆柱镂空型人工鱼礁波流水动力特性数值模拟

蒋 为赵云鹏毕春伟崔 勇李 娇

（1大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛266071）

圆柱镂空型人工鱼礁波流水动力特性数值模拟

蒋 为1，赵云鹏1，毕春伟1，崔 勇2，李 娇2

（1大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛266071）

研究人工鱼礁在波流作用下的水动力特性，对于人工鱼礁的设计具有重要的意义。基于有限体积法，采用边界造波，利用自由表面捕捉法（VOF）捕捉自由水面，建立了可以分别模拟纯波、均匀流以及波流共同作用下人工鱼礁水动力特性的多功能三维数值波流水槽。基于该数值模型对不同波流工况作用下圆柱型镂空人工鱼礁水动力特性进行数值模拟，并与物理模型试验结果进行比较。结果显示，人工鱼礁数值模拟受力与模型试验结果吻合良好，人工鱼礁所受的波流力最大值随着波高、周期和水流流速的增大而增大；人工鱼礁处于波流场波峰正下方时，背涡流的面积随着水流流速的增大而增大，随着波高、周期增大而减小。对单独均匀流作用、单独波浪作用和波流联合作用下人工鱼礁的水动力特性对比研究表明，人工鱼礁所受的最大波流力比最大波浪力、水流力都大，波流联合作用下的流场效应最显著，在礁体的后部形成了较大规模的漩涡结构。

人工鱼礁；波流力；背涡流；三维数值波流水槽

随着社会和经济的发展，人们的海洋环境保护意识不断增强，近海渔业资源的修复和保护日益成为关注的焦点。在渔业资源保护和增殖工作中，建设人工鱼礁是许多国家用来改善海洋生态环境的一种重要措施［1］。近30年来，我国对人工鱼礁进行了大量的研究和建设，人工鱼礁对我国海洋生态环境的修复和渔业资源的增殖发挥了很好的功效［2－4］。

目前，国内外学者普遍用水槽［5－8］或风洞［9］对人工鱼礁进行模型试验，也有使用粒子图像测速技术（PIV）［10－11］和计算机数值模拟技术［12－14］，虽然对有关人工鱼礁水动力特性进行了研究并取得了很多成果，但这些研究都集中在单独水流作用或单独波浪作用下人工鱼礁的水动力特性，对于波流共同作用下的人工鱼礁水动力特性研究较少。在复杂的海洋环境中，波浪和水流通常是同时存在的。人工鱼礁在海底会受到波浪和水流的共同作用，研究波流共同作用下的人工鱼礁水动力特性更符合实际情况，可为人工鱼礁的设计，评估人工鱼礁产生的生态效应提供更准确的理论依据。

本研究基于有限体积法，采用自由表面捕捉法（VOF）捕捉自由水面，利用Fluent软件建立可以分别模拟纯波、均匀流以及波流共同作用下人工鱼礁水动力特性的三维数值波流水槽，并用实验对数值模型进行验证。

1 材料与方法

1.1 多功能数值波流水槽建立

1.1.1 控制方程

假定数值模型中的流体是不可压缩流体，其控制方程为粘性不可压缩的 Navier－Stokes方程［15］：

连续方程：

动量方程：

式中：u、v、w分别为x、y、z方向的分速度，m／s；v为流体的运动学黏性系数，m2／s；t为时间，s；ρ为流体的密度，kg／m3；p为压强，Pa；fx、fy、fz为x、y、z方向的单位质量力，m／s2。

1.1.2 二阶Stokes波、均匀流及波流联合的模拟

水槽的左端采用速度入口边界条件，顶部设置为压力入口边界条件，右端采用压力出口边界条件，两侧及水池底部设置为固壁边界条件。

边界造波法是指在波浪的入口边界处给定波面高度和波浪速度的表达式，从而生成波浪的一种数值方法［16］。本研究采用边界造波法。在速度入口边界上，根据相关文献［18］中的波面方程（式5），利用自定义函数给定波面高度；根据二阶Stokes波浪的速度函数（式6），利用自定义函数给定入口边界处波浪速度的表达式。

在压力出口边界上根据水位高度用自定义函数对出口压力进行设置。图1是数值波流水槽的设置图。

图1 数值波流水槽的设置Fig.1 Setting of numerical wave－current flume

波流共同作用下的流速场水平流速值可用波浪与水流二者水平流速值相叠加而得［17］。因此，可以将水槽入口处作为波浪和水流相互作用的起始位置，给出波浪和水流相叠加的边界条件，即将上述边界造波中的速度函数式（6）改成式（7），其他条件不变，即可达到造波流的目的。

此外，边界造波法还可以模拟均匀流场，原理同上，通过在速度入口边界上给定水面高度和水流流速，即可使数值水槽实现均匀造流。

式中：H为波高，m；k为波数，m－1；ω为波浪圆频率，rad／s；t为时间，s；d为水深，m；u0为水流流速，m／s；θ＝kx－ωt。

1.1.3 数值水槽的网格划分

数值水槽的尺寸为50 m×0.5 m×0.7 m（长×宽×高），水深0.5 m。数值水槽取不同尺度的网格进行多次网格相关性验证，最后在保证结果准确和缩短计算时间的前提下，将数值水槽的网格步长设为x方向0.04 m，y方向0.02 m（波面附近0.01 m），z方向0.04 m。图2是数值水槽的网格划分。

图2 数值水槽网格划分Fig.2 Mesh of the numerical wave－current tank

1.1.4 消波理论

此数值波流水槽没有设置消波区，而是通过将数值水槽沿波浪传播方向的长度设置足够长，让波浪在计算时间内无法传到水槽的右边界来达到消除波浪反射的目的。根据所需模拟工况参数计算得到数值水槽长40 m就可满足所有工况消除波浪反射的目的，此处水槽长度设置为50 m。

1.2 物理模型试验

试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的PIV水槽（长24 m、宽0.45 m、深0.6 m）中进行，试验水深0.5 m。该水槽左端为造波机，底部为造流系统，实验过程中还用到由测力传感器、浪高仪和计算机组成的数据采集系统（图3）。

图3 实验布置示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental arrangement

人工鱼礁模型（有机玻璃材料制成）是按照实际投放鱼礁的尺寸取模型比例1∶20得到（图4），模型高19.25 cm，外径25.75 cm，内径22.75 cm，鱼礁上有六边形和长方形的孔，呈无规律排列。为了防止人工鱼礁与水槽底面摩擦而影响试验结果，两者间留有1.0 cm空隙。

图4 人工鱼礁模型及尺寸Fig.4 Size diagram of artificial reef model

1.3 波流联合作用波面历时曲线的理论值

波流联合作用波面历时曲线的理论值，是将计算得到的波流场的波长L1和波高H1代入式（5）得到。根据文献［18－19］中计算波流共同作用波长L1和波高H1的公式：

式中：H1为波流场的波高，m；L1为波流场的波长，m；k1为波流场波数，m－1；H为纯波波高，m；h为水深，m；L为纯波波长，m；k为纯波波数，m－1；c为纯波波速，m／s；u0为水流流速，m／s。

2 结果

2.1 数值波流水槽模拟与理论验证

取表1中的算例，验证三维数值波流水槽造波和造波流效果的准确性。在数值波流水槽x＝4 m处设置浪高仪实时监测波面高度。当数值波流水槽造纯波时，监测的波面历时曲线如图5a1、图5a2所示，显然，模拟的波面历时曲线与理论值吻合良好；当数值波流水槽造波流时，监测的波面历时曲线如图5b1、图5b2所示，模拟的波面历时曲线与理论值也吻合良好。说明此三维数值波流水槽模拟波浪和波流是有效可行的。

表1 水槽验证波浪和水流参数Tab.1 Wave and current parameters of flume

2.2 不同波流工况作用下人工鱼礁的数值模拟及实验验证

将人工鱼礁设置在距离造波边界4 m处。由于人工鱼礁是镂空的，形状很不规则，需要分区域划分网格（图6）。为了更加准确地模拟人工鱼礁的受力及其周围的流场，需要对鱼礁周围的网格进行更细的网格划分。

图5 波面曲线模拟值与理论值对比Fig.5 Comparison of simulated value and theoretical value of wave surface

图6 人工鱼礁模型周围的网格划分Fig.6 Distribution of mesh around the artificial reef model

用上述数值波流水槽对表2中的7种工况进行数值模拟，模拟圆柱型鱼礁分别在单独水流、单独波及波流联合作用下的受力情况。以B1工况为例，数值模拟得到的水流力、波浪力及波流力的历时曲线（图7）。表3是模拟得到的7种工况下人工鱼礁水流力、波浪力及波流力的最大值。

表2 7种波流工况的波浪和水流参数Tab.2 Wave and current parameters of seven kinds of wave－current conditions

图7 人工鱼礁受力模拟值Fig.7 Calculated results of the force of artificial reef

表3 7种波流工况下人工鱼礁数值模拟的最大受力Tab.3 Simulated value of the maximum force of artificial reefs N

由图7可知，鱼礁受到的波浪力及波流力呈周期性变化，其中波浪力的受力曲线关于F＝0轴对称，这与人工鱼礁在波浪作用下的受力规律相符。人工鱼礁受到的水流力稳定后是一条等值直线，这与人工鱼礁在水流作用下受力为定值的规律相符。从图7及表3可知，人工鱼礁所受的最大波流力比最大波浪力、水流力要大很多，甚至比最大波浪力与水流力的叠加值都要大约5%～23.5%。

图8为在7种不同波流工况下人工鱼礁受到的最大波流力模拟值与实验值的对比。

图8 最大波流力模拟值与实验值对比Fig.8 Simulated value and experimental value of the maximum wave－current force

物理模型试验所得最大波流力值均略大于数值模拟结果，相对误差为9%～21%。物理模型试验时，为了防止鱼礁与底面摩擦而影响实验结果，水槽底面与鱼礁模型之间留有1.0 cm的空隙，而进行数值模拟时，鱼礁模型是直接布置在水槽底部的；同时，实验操作过程中的一些实验误差，导致实验得到的最大波流力值比数值模拟结果略大。模拟结果与实验结果所反映的鱼礁所受最大波流力的大小，与波浪和水流参数变化的规律基本吻合，验证了此数值模型模拟人工鱼礁水动力特性的可行性。从图8可以看出，人工鱼礁所受的波流力最大值与水流流速、波高以及周期呈正相关，并同步增加。

2.3 单体圆柱型人工鱼礁在波、流和波流联合作用下的流场

在数值模拟计算的结果中，取工况B1的计算数据，对在均匀流、纯波和波流分别作用下圆柱型人工鱼礁周围的流场进行分析。图9为人工鱼礁中轴面的流场流线图。由于在波流和纯波作用下人工鱼礁周围的流场呈周期性变化，所以取其一个周期内的流场进行分析。图9a1为均匀流作用下人工鱼礁周围流场的流线图，水流穿过礁体后在鱼礁后面形成了一段狭长的缓流区；图9a2为纯波作用下一个周期内人工鱼礁周围流场的流线图，可以看到流线穿过鱼礁后并没有发生明显变化，即纯波作用下人工鱼礁对波浪场没有产生明显影响；图9a3为波流共同作用下一个周期内人工鱼礁周围流场的流线图，鱼礁后面出现较强的回流，并形成较大规模的漩涡结构，这种流场效应对人工鱼礁的生态效应具有积极贡献。综上，在波流作用下，人工鱼礁产生的流场效应比单独水流和单独波作用产生的流场效应要显著，在纯波作用下，人工鱼礁没有产生明显的流场效应。

2.4 不同波流工况下人工鱼礁波流场数值结果分析

由于波流场随时间不断变化，为了对7种波流工况下人工鱼礁波流场数值结果进行分析，需要对人工鱼礁在每种工况处于相同波流场的条件下进行对比分析，此处取每种工况人工鱼礁处于波流场波峰正下方时流场数值结果。以B2工况为例（图10）。

图10是B2工况下人工鱼礁中轴面的流场速度云图。由图可以看到，礁体后部都形成了较大规模的背涡流，于是对每种工况的背涡流面积（Se）进行统计。Se是每种工况未放鱼礁时礁区域速度云图与图10中对应工况速度云图进行对比后产生影响区域的面积。统计结果如图11所示。

图11是人工鱼礁在7种波流工况下背涡流面积的情况。从中可以看出，圆柱型人工鱼礁在波流作用下，Se随着水流流速的增大而增大，随着波高、周期的增大而减小。

3 讨论

利用Fluent软件，以速度边界造波法建立数值波流水槽，对单独均匀水流、单独波浪作用以及波流联合作用下的圆柱镂空型人工鱼礁的水动力特性进行了研究，并用实验验证了数值模型的可行性。结果显示，在波浪作用下，人工鱼礁周围的流场速度矢量在一个周期内的正负交替变化与波浪力正负变化规律相吻合，这与刘彦等［20］、赵云鹏等［11］的研究结果相一致。由表3可知，在单独均匀流作用下，人工鱼礁受到的水流力，随水流流速增大而增大，这与刘彦等［20］、郑延璇等［21］的研究结果相一致，说明数值模型模拟人工鱼礁水动力特性的准确性和可靠性。

本研究结果表明，在波流联合作用下，人工鱼礁的最大受力比单独波浪作用的最大受力和单独水流作用的受力大，甚至比两者的叠加还要大。在波流作用下，人工鱼礁产生的流场效应也比单独波浪和单独水流作用的都要显著。由此可知，只研究在单独水流作用或单独波浪作用下人工鱼礁的水动力特性并不能反映人工鱼礁受波流共同作用的实际情况。可见，在波流共同作用下，人工鱼礁的受力和流场效应等水动力特性研究对于鱼礁的设计和建设具有重要意义。在不同波流工况下，圆柱型镂空人工鱼礁在波流作用下的最大波流力与水流流速、波高以及周期呈正相关。当人工鱼礁处于波流场波峰正下方时，人工鱼礁在波流作用下背涡流的面积随着水流流速的增大而增大，随着波高、周期增大而减小。人工鱼礁的受力及产生的流场效应关系到人工鱼礁的结构设计和产生的生态效应。

图9 鱼礁周围流场的流线图Fig.9 Streamline diagram of flow field around reefs

图10 人工鱼礁区域速度云图Fig.10 Contour diagram of the velocity around reefs

图11 不同工况下人工鱼礁背涡流面积Fig.11 The wake vortex area of artificial reefs under different conditions

4 结论

通过建立数值波流水槽，分别模拟纯波、均匀流以及波流共同作用下的人工鱼礁水动力特性。研究结果表明，人工鱼礁所受的最大波流力比最大波浪力和水流力大，波流联合作用下的流场效应最显著，在礁体的后部形成了较大规模的漩涡结构。在不同波流工况下，人工鱼礁所受的波流力最大值随着波高、周期和水流流速的增大而增大；人工鱼礁处于波流场波峰正下方时，背涡流的面积随着水流流速的增大而增大，随着波高、周期增大而减小。 □

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Numerical simulation of hydrodynamic characteristics of cylindrical hollow artificial reef in wave－current

JIANG Wei1，ZHAO Yunpeng1，BI Chunwei1，CUI Yong2，LI Jiao2
（1 State Key Lab of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2 Yellow Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Qingdao 266071，China）

Researching the hydrodynamic characteristics of artificial reef in wave－current is very important for the design of artificial reef.Based on the finite volume method，adopting the velocity border as a wave generator，a multifunctional 3D－numerical wave－current tank was established by the volume of fluid（VOF）method，which can simulate the hydrodynamic characteristics of the artificial reef under the action of wave，current and wave－current，respectively.Based on this numerical model，the hydrodynamic characteristics of the cylindrical hollow artificial reef under different actions of wave－current was investigated.Compared the numerical results with experimental results，the accuracy of the simulation of forces was verified.The results show that the maximum of the wave－current force of artificial reefs increases with the increase of wave height，period and flow velocity.The simulation results also show that when the artificial reef is directly below the crest of the wave field，the area of wake vortex of the artificial reef increases with the increase of flow velocity，but decreases with the increase of wave height and period.By comparing the hydrodynamic characteristics of artificial reefs under the action of single homogeneous flow，single wave and wave－current，the maximum wave－current force of the artificial reef is greater than the maximum wave force and the water flow force.The simulation results also show that the flow field effect under wave－current interaction is the largest，and a large－scale vortex structure is formed at the rear of the reef.

artificial reef；wave－current force；wake vortex；3D－numerical wave－current tank

S953.1

A

1007－9580（2017）02－030－08

10.3969／j.issn.1007⁃9580.2017.02.006

2017－01－27

国家自然科学基金（51239002，51579037）；中国博士后基金（2014M560211，2015T80254）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（2016HY－ZD0103）；中央高校基本科研业务费专项资金（DUT16YQ105）

蒋为（1990—），男，硕士研究生，研究方向：海洋牧场结构物水动力特性。E－mail：jiangweizaidagong＠mail.dlut.edu.cn

赵云鹏（1980—），男，教授，研究方向：海洋牧场结构物水动力特性。E－mail：Ypzhao＠dlut.edu.cn