人工魚礁流場效應(yīng)的數(shù)值模擬

人工魚礁流場效應(yīng)的數(shù)值模擬

近年來，由于過度捕魚和污染的影響，漁業(yè)逐漸減少。因此，世界各國加強了對捕魚和狩獵的恢復(fù)和保護。實踐證明,人工魚礁(簡稱魚礁)投放后會形成新的水域生態(tài)環(huán)境,對水生生物的繁殖和生長起著重要作用。隨著魚礁的大量投放,人們對魚礁及其周圍流場的研究也逐漸展開,主要集中在兩個方面:一是流體力學(xué)因素,研究了魚礁投放后,海流所引起的礁體滑移、傾覆、沉陷和掩埋,即魚礁的物理穩(wěn)定性問題;二是空間幾何因素,研究了礁體布局時的空間組合,即如何利用魚礁模型不同的排列方式改變流場特征,提高魚礁的集魚效果。劉洪生等和劉同渝分別對實體與空心魚礁流場效應(yīng)進行了研究,并得出以下結(jié)論:相同來流速度下,實體魚礁模型產(chǎn)生的流場效應(yīng)顯著,空心模型背渦流回流速度隨模型空隙率的增大而減小;堆疊式魚礁模型形成的各種流態(tài)最大,梯形魚礁次之,半球形和三角錐體魚礁最小。目前尚未見到有關(guān)人工魚礁開口比和迎流面形狀對流場效應(yīng)影響程度的報道。本研究中,作者通過數(shù)值計算方法,對流速較大的近岸海域進行定量數(shù)值模擬研究,應(yīng)用雙因素方差分析法討論了單體人工魚礁的開口比和迎流面形狀對流場效應(yīng)的影響,以期為魚礁形狀的選取和魚礁的合理布局提供參考資料。1數(shù)學(xué)模型1.1基本假設(shè)根據(jù)對魚礁周圍流體特性的分析,作出基本假設(shè):1)海水為不可壓縮、定常、黏性流體;2)不考慮流場中的溫度變化;3)流體為牛頓流體。1.2不同速度量的模型數(shù)值計算遵循質(zhì)量守恒和動量守恒定律,不可壓縮流體的控制方程為連續(xù)方程和動量守恒方程(Navier-Stokes方程,簡稱N-S方程),分別為{?(ρu)?t+div(ρuu)=div(μgradu)-?p?x+Su?(ρv)?t+div(ρvu)=div(μgradv)-?p?y+Sv?(ρw)?t+div(ρwu)=div(μgradw)-?p?z+Sw(2)式中:u、v和w分別為X、Y和Z方向的速度分量;t為時間;ρ為密度;u為速度矢量;μ為動力黏度;p為壓強;div為散度;grad為梯度;Su、Sv和Sw均為動量守恒方程的廣義源項。1.3湍流黏度及總耗散率在關(guān)于湍動能κ方程的基礎(chǔ)上,再引入一個關(guān)于湍動耗散率ε的方程,便形成了κ-ε兩方程模型,稱為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型中湍動能κ和耗散率ε的方程如下:?(ρk)?t+?(ρkμi)?xi=??xj[(μ+μiσk)?k?xj]+Gk+Gb-ρε-YΜ,(3)?(ρε)?t+?(ρεμi)?xi=??xj[(μ+μiσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k,(4)式中:Gk表示由平均流速梯度引起的湍動能;Gb表示由浮力影響引起的湍動能;YM為可壓湍流脈動膨脹對總耗散率的影響;湍流黏性系數(shù)μi=ρck2/ε;C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09;湍動能κ與耗散率ε的湍流普朗特系數(shù)分別為σk=1.0,σε=1.3。2水流方向的角度迎流面即魚礁在垂直于水流方向的表面形狀。模型A迎流面為平面,與水流方向垂直;模型B迎流面為圓弧形,其各點切面與水流夾角的變化范圍為0°～90°;模型C迎流面為斜向組合面,與水流方向的夾角為45°(圖1)。開口比即魚礁迎流面在垂直于水流方向孔洞的投影面積與迎流面全投影面積的比值,孔洞均位于試件迎流面的形心處。本研究中設(shè)定開口比分別為0、0.2、0.4、0.6,則開口的邊長分別為0、0.9、1.3、1.5m。模型A、B、C外輪廓尺寸均為2m×2m×2m。本研究中模擬近岸海域水深為20m、水流速度為2m/s狀態(tài)下單體人工魚礁的流場效應(yīng),其中100m×30m×20m水體流場上邊界選為對稱邊界,左邊界為入口邊界,右邊界為出口邊界。海底及魚礁壁面為靜止固定邊界,摩擦系數(shù)為0.5。3結(jié)果與討論3.1魚礁流場效應(yīng)當(dāng)魚礁置于近岸海底后,阻擋了潮汐運動所形成的往復(fù)流,在魚礁迎流面產(chǎn)生上升流,在背流面產(chǎn)生背渦流。上升流能夠促進上下層海水的交換,增加了水體的溶氧量,促進了海底營養(yǎng)鹽的泛起、擴散,能夠增加海域的肥沃度;背渦流區(qū)域水流流速減小,可使餌料生物聚集,有利于附著生物的孳生,可以觀察到明顯的海底物質(zhì)和營養(yǎng)鹽的沉積。虞聰達等對人工船礁的研究表明:魚礁產(chǎn)生的最大上升流流速為來流流速的0.05～0.15倍。所以將垂直方向的流速分量大于0.1倍的來流流速的區(qū)域定義為上升流區(qū)域。背渦流水平跨度是流影區(qū)域在來流方向的長度。本研究中,將上升流流速和背渦流的水平跨度作為魚礁流場效應(yīng)的評價指標(biāo)。上升流流速越大,背渦流水平跨度越長,流場效應(yīng)就越顯著。3.2開口比相同時計算結(jié)果顯示:開口比為0時,背渦流水平跨度為3.5m,渦旋區(qū)域明顯;開口比為0.6時,背渦流水平跨度近似為0,渦旋區(qū)域消失。開口比越小,上升流流速與來流流速的比值越大,礁后的緩流區(qū)域也就越大,背渦流的流速就越小,并呈現(xiàn)反向流的渦旋區(qū)域。隨著開口比的增大,礁后的緩流區(qū)域呈現(xiàn)逐漸收斂趨勢,流速的等值線越發(fā)密集,流速增大,反向流的渦旋區(qū)域逐漸消失(圖2)。從圖3可見:在恒定流速為2m/s的水域中,當(dāng)開口比為0時,模型A的上升流流速為1.14m/s,與來流流速的比值為0.57,模型B和模型C的上升流流速分別為0.78m/s和0.65m/s,與來流流速的比值分別為0.39和0.33;當(dāng)開口比由0增至0.6時,最大上升流流速與來流流速的比值均逐漸降低。從圖4可見,開口比由0增至0.6時,背渦流的水平跨度急劇減小。當(dāng)開口比為0時,模型A的背渦流水平跨度為3.5m,模型B、C的背渦流水平跨度均為2.8m;當(dāng)開口比為0.6時,模型A、B、C的背渦流區(qū)域均消失。圖3和圖4還反映出開口比相同時迎流面形狀對流場效應(yīng)的影響程度。即模型A的上升流流速和背渦流的水平跨度均呈現(xiàn)較大值,模型B次之,模型C最小。說明與水流方向垂直的迎流面形狀產(chǎn)生了較好的流場效應(yīng)。模型A、B、C產(chǎn)生的上升流平均流速分別為0.80、0.578、0.47m/s。劉洪生等的風(fēng)洞試驗結(jié)果表明,不同礁體產(chǎn)生的平均上升流流速為來流速度的0.3倍,本研究結(jié)果與此結(jié)果基本吻合。3.3模型參數(shù)a的影響本研究中,采用雙因素方差分析法,以上升流流速與來流流速的比值以及背渦流水平跨度為依據(jù),考察開口比和迎流面形狀對魚礁流場效應(yīng)的影響。分析步驟如下:設(shè)有兩個因素A和B,其中因素A有r個水平A1,…,Ar,因素B有s個水平B1,…,Bs,在每一種組合水平Ai×Bj下各進行m次(m≥2)獨立重復(fù)試驗。在因素A和因素B的各個水平下,每一種組合(Ai、Bj)的試驗結(jié)果總體Xij服從正態(tài)分布N(mij,s2),將總體Xij的均值mij寫成mij=m+ai+bj+cij(i=1,2,3,…,r;j=1,2,3,…,s),稱m為總平均,稱ai為Ai水平的效應(yīng),稱bj為Bj水平的效應(yīng)。進行假設(shè)檢驗,分析因素A、B對試驗結(jié)果的影響程度。待檢假設(shè):(1)H0A:a1=a2=…=ar=0,(2)H0B:b1=b2=…=br=0,H1B:b1,b2,…,br不全為0。則QΤ=R∑Ι=1S∑J=1(Xij-ˉX)2稱為總平方和,自由度為(rs-1);QA=SR∑Ι=1(ˉXi?-ˉX)2稱為因素A的效應(yīng)平方和,自由度為(r-1);QB=RS∑j=1(ˉX?j-ˉX)2稱為因素B的效應(yīng)平方和,自由度為(s-1);QE=R∑Ι=1S∑J=1(Xij-Xi.-X.j+ˉX)2稱為誤差平方和,自由度為(r-1)(s-1)。根據(jù)F值判斷因素作用效果是否顯著。當(dāng)α分位點為0<α<1時,若FA=QA/(r-1)QE/(rs)>F1-α[(r-1),(r-1)(s-1)],則拒絕假設(shè)H0A,即因素A有作用效果;否則,接受假設(shè)H0A,即因素A無作用效果或作用效果不顯著。若FB=QB/(s-1)QE/(rs)>F1-α[(s-1),(r-1)(s-1)],則拒絕假設(shè)H0B,即因素B有作用效果;否則,接受假設(shè)H0B,即因素B無作用效果或作用效果不顯著。假設(shè)因素A為開口比,因素B為迎流面形狀。根據(jù)雙因素方差分析原理對上升流流速與來流流速的比值進行方差分析,結(jié)果見表1、表2。由表2可見:在顯著性水平α=0.05的情況下,因素A和因素B在本試驗中影響效果顯著(P<0.05),即在數(shù)值模擬試驗中魚礁模型的開口比和迎流面形狀均對上升流流速產(chǎn)生影響,且影響效果顯著;在顯著性水平α=0.01的情況下,因素A在本試驗中影響效果極顯著(P<0.01),而因素B在本試驗中無極顯著影響效果(P>0.01),即在數(shù)值模擬試驗中魚礁模型的開口比對上升流流速影響非常明顯,而魚礁模型迎流面形狀對上升流流速影響次之。由此可知,魚礁的開口比是流場效應(yīng)中影響上升流流速的主要因素,而魚礁的迎流面形狀對上升流流速的影響程度次之。根據(jù)雙因素方差分析原理對背渦流流域的水平跨度進行方差分析,結(jié)果見表3和表4。由表4可見:在顯著性水平α=0.05的情況下,因素A在本試驗中影響效果顯著(P<0.05),因素B在本試驗中影響效果不顯著(P>0.05),即在數(shù)值模擬試驗中魚礁模型的開口比對背渦流水平跨度產(chǎn)生影響,且影響效果顯著(P<0.05),而迎流面形狀對背渦流水平跨度影響次之,但效果不顯著(P>0.05)。由此可知,魚礁的開口比是流場效應(yīng)中影響背渦流水平跨度的主要因素,魚礁的迎流面形狀對背渦流水平跨度的影響程度次之。綜上所述,魚礁的開口比是流場效應(yīng)的主要影響因素。4不同結(jié)構(gòu)魚礁開口比下的對流場效應(yīng)本研究中,采用數(shù)值計算方法分析了不同開口比和不同迎流面形狀對流場效應(yīng)的影響,結(jié)果表明:1)魚礁的開口比是流場效應(yīng)的主要影響因素,魚礁的迎流面形狀對流場效應(yīng)的影響次