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不同投放方式下星体型人工鱼礁流场的数值模拟 0 人工鱼礁流场效应 目前，人工鱼礁已成为海洋牧场建设的重要组成部分，引起了人们的关注。人工鱼礁是人为在海中投放的构造物,可为海洋生物提供一个良好的栖息、生长、繁育的场所。人工鱼礁投放到海域后会产生饵料效应和流场效应,改变周围的海域环境。星体型人工鱼礁是20世纪80年代在中国投放使用的一种礁型,经过20多年的使用,发现星体型人工鱼礁结构稳定,附着生物效果显著且附着生物在礁体各个面上附着均匀,因此,星体型人工鱼礁可以作为海洋牧场建设的一种有效礁型。 对于人工鱼礁流场效应的研究,日本走在世界的前列。日本学者Uekit、Nakamura和Hideshima对人工鱼礁着底冲击力和海底礁各种地形产生的涌升流进行了研究。国内对于人工鱼礁流场效应的研究主要为水槽和风洞试验,也有粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)试验和计算机数值模拟试验,但后面这2种试验比较少。张硕等通过水槽模型试验对6种混凝土人工鱼礁模型的上升流特性和背涡流特性进行了研究,并对上升流规模和背涡流规模进行了定量分析。刘洪生等利用风洞试验对正方体、金字塔及三棱柱人工鱼礁模型进行了流场效应的分析。关长涛等利用粒子图像测速方法对复合M型和星体型人工鱼礁模型周围的流场进行了分析。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。崔勇等利用ANSYS软件对单体星型礁及不同布设间距的组合正方体礁周围的流场进行数值模拟,证明了数值模拟能够反映人工鱼礁的流场效应。姜昭阳利用FLUENT软件对单体立方体礁进行了受力和流场效应的分析,并与PIV试验相结合,数值模拟结果与试验结果基本一致,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。 人工鱼礁在海中不同的投放方式会产生不同上升流和背涡流,因而有必要对不同投放方式的人工鱼礁周围的流场效应进行研究,为人工鱼礁的投放布局提供理论基础。水槽试验和风洞试验只能反映人工鱼礁海域局部的流场变化,而不能把握整个人工鱼礁海域流场的分布和变化;PIV试验可以得到人工鱼礁区整个速度场分布,但是耗费较大的人力物力;而数值模拟利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的原理,可以准确模拟人工鱼礁区的流场效应。本文利用FLUENT流场分析软件,采用RNG k-ε湍流模型,对星体型人工鱼礁在不同摆放方式下的流场效应进行数值模拟,结果显示摆放方式和布设间距对人工鱼礁周围的最大上升流流速、上升流面积和背涡流面积均有显著影响。与其他研究方法的试验数据相比较,进一步验证FLUENT数值模拟软件能够准确分析人工鱼礁的流场效应,能够为人工鱼礁在海中的投放方式和投放间距提供理论参考。 1 数值模拟方法 1.1 u3000平均流速 根据所分析的人工鱼礁区流体的特性,本文将流体假设为不可压缩、定常、黏性流体。时均连续方程和Reynolds方程如下 式中,ρ为流体密度,kg/m3;p是平均压强,Pa;ui,uj是平均流速,m/s;i,j=1,2,3(i≠j)表示直角坐标系x,y,z 3个方向,μ为动力黏度,Pa·s;为Reynolds应力,N。 试验采用由Yakhot和Orzag提出的RNG k-ε模型。在RNG k-模型中,所得到的k方程和ε方程如下 式中,Gk是由于平均梯度引起的湍动能的产生项,μeff为有效湍动黏度,Pa·s;k为湍流动能,J;ε为动能耗散率;αk、αε分别为k和ε的普朗特数;C1ε和C2ε为经验常数,这些项和系数的计算式或取值如下 式中,μt为湍动粘度,Pa·s;η为无量纲参数;η0、Cμ、β均为常数;Eij为时均应变率。 1.2 礁体摆放形式 本文采用的星体型人工鱼礁规格为:星体型鱼礁外接圆直径为0.8 m,高度为1 m,壁厚为0.1 m,模拟海流的流速分别为0.3、0.5和0.8 m/s,单个礁体摆放形式如图1所示,2个礁体采用横向排列和纵向排列2种不同的摆放方式,横向组合(两鱼礁连线与流向垂直)如图2a,间距为h1=0.5 l和h2=1 l(l=0.8 m),简称HZ1、HZ2;纵向组合(两鱼礁连线与流向平行)如图2b,间距分别为l1=0.5 l、l2=1 l、l3=1.5 l和l4=2 l(l=0.8 m),简称SX1、SX2、SX3、SX4。 1.3 模型边界条件 研究表明,对于数值模拟而言,当计算域的长度达到9倍的鱼礁长度(鱼礁前方3倍,鱼礁后方5倍),计算域宽度达到5~6倍礁体宽度,计算域高度达到4倍以上礁体高度时,就能正确的反映人工鱼礁周围的流场情况。因此,本文将2个礁体看作一个整体礁群,尺寸为L×W×H,整个计算域确定为长方体形状,尺寸为L1×W1×H1(9 L×6 W×5H),其中礁前计算域