组合式金字塔型人工鱼礁水动力学分析

赵 林，邓 超，于振江，孙利元，涂 忠，郑中强，常宗瑜

(1 中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100；2 山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 266100；3 山东省水生生物资源养护管理中心，山东 烟台264000)

人工鱼礁是海洋牧场的重要组成部分。人工鱼礁投放海底后，鱼礁周围流场发生变化，会使得非通透性人工鱼礁前部产生相当量的局部上升流。上升流将底层的营养物质及沉积物带起流动，可促使海底有机物上升，有利于鱼类摄食，同样也会在鱼礁背部产生一个涡流区，涡流区产生低频震荡刺激鱼类定向游动，这会产生集鱼效果。另外，此区域流速较缓慢，可以对鱼类起到庇护、繁衍和栖息的作用[1-2]。人工鱼礁的投放对于修复海洋生态环境、提高渔获量有重要价值。

对于人工鱼礁流场的研究主要有现场观察、物理模型实验(风洞实验[3-7]、水槽实验[8-11]及PIV观测[1、12-14])和数值仿真模拟[15-30]3种手段。流体经过人工鱼礁后，在人工鱼礁前部形成上升流区，人工鱼礁中部形成紊流区，涡流区域形成分布于人工鱼礁后部。Seaman[3]指出在鱼礁的阻流作用下，人工鱼礁下游的流场可分为3个区域：紊流区、过渡区和未受扰动区。

人工鱼礁周边生态环境和渔场资源的改善与人工鱼礁周边水动力环境密切相关。与方型人工鱼礁及三棱柱型人工鱼礁等相比，组合式金字塔型人工鱼礁的表面积大，透空性好，因此本文选取组合式金字塔型人工鱼礁进行水动力学分析，为今后人工鱼礁的选型提供一定参考。

1 组合式金字塔型人工鱼礁结构

组合式金字塔型人工鱼礁(以下简称金字塔型鱼礁)如图1所示，金字塔型鱼礁的组装如图2所示，投放过程如图3所示。此鱼礁有着礁体表面积大、透空性良好及透水性充足等特点。本研究通过Fluent流体软件，模拟分析不同来流速度下鱼礁的扰流情况，获得其在三维扰流下的流场分布情况，绘制金字塔型鱼礁的紊流区三维立体分布图。金字塔型鱼礁体表挂满圆形导流盘，由锰钢作为鱼礁的主要筋骨构成的混凝土柱体拼接而成，整个人工鱼礁占地100 m2,单个礁体500 m3，质量26 t。该金字塔型鱼礁长宽高为5.4 m×5.4 m×4 m，同传统的框架型鱼礁、星型鱼礁相比，具有产生流场复杂、尺寸适应、结构中空隙(开孔、裂缝、壁和突起物等)高等特点。

图1 组合式金字塔型人工鱼礁

图2 组合式金字塔型人工鱼礁的组装 图3 组合式金字塔型人工鱼礁的投放

流体计算区域大小如图4所示，分区网格划分如图5所示。采用四面体网格与六面体网格同时存在的方式进行网格分区划分，靠近鱼礁及鱼礁尾流处网格采用加密四面体网格，其他区域采用较为稀疏的六面体网格划分。外部六面体网格规格为120 mm，靠近鱼礁区域采用不同网格尺寸进行网格无关性验证。采用相同的来流速度0.2 m/s分析在水流方向上鱼礁受到的力的变化情况(图6)，选用四面体规格为20 mm进行后续计算，此时网格数目为489 579。

图4 计算区域 图5 网格划分

图6 网格无关性验证

采用的水流运动控制方程为定常、不可压缩条件下的连续方程、N-S方程和RNGK-ε湍流模型。对于边界条件，进口采用均匀流速入口；出口采用自由出流条件；所有固体壁面采用无滑移条件。

对非稳态的N-S方程作时间演算，得到以下方程。

动量方程：

(1)

湍流运动的连续性方程：

(2)

其他变量φ输运方程：

(3)

在Fluent计算中采用RNGK-ε模型，使得附加项与时均值联系起来，采用Simple算法进行压力速度耦合来求解运算。

2 组合式金字塔型人工鱼礁水动力学特性分析

采用计算流体动力学Fluent软件模拟分析4种不同来流速度(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)下的金字塔型鱼礁周围三维绕流场，重点分析鱼礁周围流场分布特性以及上升流的特性。

2.1 紊流区特性分析

图7为金字塔型鱼礁在不同流速下形成的紊流区范围。此区域是流速为0及流速沿X轴负方向为主的区域。可以看出，随着流速的增加，紊流区的范围并没有明显变化，而随着入口流速的增加，周围流场的压力数值变化范围增加。从紊流区大小分布情况可以看出，随着导流盘迎水面积的增加，导流盘后紊流区范围变大，根据此特性可以按照不同需求调整导流盘角度。

2.2 上升流特性分析

图8为金字塔型鱼礁在不同流速下(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)的Z轴线0 m处截面Y方向上升流区域分布情况，在此处同样取Y轴方向流速大于入口流速5%的区域为上升流区域，从图中可以看出，在鱼礁前方及后方均形成了明显的上升流，在前部上升流区域大于后方上升流区域。通过鱼礁定点Y方向轴线上的速度分布得到5种流速下上升流的高度均为6.13 m，即为鱼礁高度的1.53倍。显然，随着鱼礁迎水面积的减小及鱼礁高度的增加，以及迎流面阻水作用的减小，金字塔型鱼礁的上升流高度明显小于方型人工鱼礁和三棱柱型人工鱼礁的上升流高度(无孔方型人工鱼礁、多孔方型人工鱼礁及三棱柱型人工鱼礁的上升流高度与鱼礁高度之比分别为2.63、2.68和2.88)，上升流速度最大的点出现于金字塔型鱼礁的顶部区域。

2.3 涡流情况分析

图9为金字塔型鱼礁在不同流速下(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)下的三维涡量图，由涡量分布可以看出随着流速的增加，涡量的强度与范围明显增加。通过截取Z轴线-0.5 m处的XY截面来分析水平方向的涡量，由图10看出，随着流速的增加，水平方向涡量0.1的区域长度加长。涡量主要分布于导流盘后方区域；且越远离导流盘的地方，涡量越弱。涡量的竖直高度略高于鱼礁高度，背涡区长度与随着流速的增加而增加。

图7 不同入口流速下紊流区范围

图8 不同入口流速下上升流分布

图9 不同入口流速下三维涡量分布

图10 不同入口流速下Z轴-0.5 m处截面涡量分布

3 结论

采用计算流体软件Fluent对不同来流速度(0.1、0.2、0.3和0.4 m/s)下的组合式金字塔型人工鱼礁周围的三维流场进行研究，给出了金字塔型鱼礁附近紊流区、上升流、涡量的结构特点，经过分析得出如下结论： 1)涡量主要分布于导流盘后方区域，且越远离导流盘的地方涡量越弱；2)不同来流速度下，上升流的最大高度约为鱼礁高度的1.53倍，鱼礁涡量区的高度约为鱼礁的高度，背涡区的长度随着水流速度的增加而增加；3)不同流速下，紊流区的范围与大小基本不变。通过与其他类型的人工鱼礁流场与数值参数对比，如与多孔方型人工鱼礁和三棱柱型人工鱼礁在流场效应上相比，金字塔型人工鱼礁上升流高度明显小于前两种鱼礁。组合式金字塔型人工鱼礁在流场环境中会产生较强的上升流及较复杂的紊流，紊流区的范围比较稳定，为喜欢流速缓慢区域的鱼类提供了适宜的生存空间，同时，组合式金字塔型人工鱼礁空方比较大，能为鱼类提供更好的庇护作用。

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