不同高度混凝土模型礁背涡流特性的定量研究

在实验室条件下，于水槽中对6种混凝土人工鱼礁模型的背涡流特性进行了研究（来流速度为13．5、23．5、33．5cm／s），并对背涡流规模进行了定量分析。结果表明：3种来流速度下，6种混凝土模型礁背涡流长度、高度、面积均随礁高的增加而增加，而其背涡流相对值均随礁高的增加呈下降趋势；6种混凝土模型礁其背涡流长度为礁高的2．02—3．73倍；背涡流高度为礁高的1．06—1．70倍；背涡流面积为礁迎流面面积的2．45～4．80倍。

立方体人工鱼礁背涡流的三维涡结构

以立方体人工鱼礁为例,应用CFD软件对其在定常流作用下的三维流场进行了数值模拟试验,以揭示立方体人工鱼礁背涡流的三维涡结构。结果表明:流过礁体侧面的水体在礁体后形成两个对称的旋转方向相反的展向涡,流经礁体上表面的水体脱落后形成一个尺寸与礁体尺寸相当的流向涡,展向涡宽度决定背涡流流场宽度,流向涡高度决定背涡流流场高度;展向涡和流向涡长度近似相等,二者的长度共同决定背涡流流场的长度;展向涡、流向涡共同构成了人工鱼礁背涡流的三维涡结构。

不同来流流速和布设间距下人工鱼礁组合的流场效应研究

人工鱼礁的投放可改善河流局部水域的生态环境,为鱼类等水生生物营造良好的栖息环境。基于计算流体力学(CFD)方法,研究长江上游三棱柱人工鱼礁组合的水动力特性,并以上升流和背涡流的几何特征为参数,分析不同来流流速(1.5、2.4和3.0 m/s)和布设间距(0.5、1.5和2.5 m)对流场效应的影响。结果表明:随着来流流速的增加,在相同人工鱼礁组合工况下上升流和背涡流的几何特征值变化不大;随着布设间距的增加,相同人工鱼礁组合工况下上升流、背涡流最大高度和体积等几何特征值先增加后减小,1.5 m为最优布设间距;而在同一流速或布设间距下,随着人工鱼礁组合数量的增加,上升流、背涡流最大高度和体积逐渐增加,7个为1组的人工鱼礁为最优组合。

人工鱼礁流场效应的数值模拟

文章对不同来流条件下方形与三角形礁体造成的上升流及背涡流进行了计算流体力学(CFD)数值模拟,探讨来流条件、礁体形状、礁高水深比对礁体造成流场的影响。计算结果表明:所有来流条件下,礁高水深比为0.25的礁体造成的上升流及背涡流,其影响范围更大;礁高水深比为0.25时,方形礁体对上升流及背涡流的造成效应更强;来流条件的变化对上升流及背涡流的造成影响不大,礁体的形状与流场效应的相关性更强。

人工鱼礁流场效应的模型实验

针对正方体、金字塔及三棱柱人工鱼礁模型,选取3个不同工况6 m/s、9 m/s和12 m/s,通过风洞实验研究不同类型人工鱼礁单体和不同组合正方体模型的流场效应。结果表明,模型迎流面和背流面分别产生上升流和背涡流,其规模随来流速度的增大而增大;相同来流速度下,同种模型空心模型的上升流和背涡流规模较实心模型小,空心模型背涡流回流速度随模型空隙率增大而减小;不同模型z方向的湍流强度均大于x方向。对于组合模型,随着来流速度的增大,中心点流速均逐渐增大;一定来流速度下,当模型间距在1~1.5倍模型尺度时,流场变化最大;且模型平行组合比垂直组合产生的流场效应更大。

复合M型人工鱼礁粒子图像测速二维流场试验研究

为了获得复合M型人工鱼礁的流场效应，为鱼礁的结构设计提供理论依据，选取3个不同水流流速（6．7cm／s、11．0cm／s、18．0cm／s），采用粒子图像测速（PIV）技术，对复合M型人工鱼礁的二维流场进行测试。结果表明：礁体迎流面和背流面分别产生上升流和背涡流，其规模随着来流速度的增加而增大；当鱼礁圆柱孔与流向夹角为90°时所产生的上升流高度为礁高的53％～90％，背涡流面积为迎流面积的0．7—1．3倍；夹角为0。时上升流高度为礁高的33％-83％，背涡流面积为迎流面积的40％～60％；90。工况下上升流平均流速是0。工况时的1．1—2．7倍，背涡流的最大回流速度为0°时的3．0～9．0倍。鱼礁投放时采用鱼礁圆柱孔与水流流向垂直的摆放形式流态较好。

一种人工鱼礁的水动力学研究与建设效果评价

针对舟山群岛的海洋环境和渔业资源等情况,设计了一种正六棱柱式人工鱼礁用于改善当地的海洋生态和渔业资源。选用反映鱼礁通透性的ε值和反映鱼礁附着能力的η值两个参数对人工鱼礁的结构进行评价,通过比较发现所设计的正六棱柱式人工鱼礁在具有良好通透性的情况下还能够为海洋生物提供更大的附着面积,满足设计需求。使用Fluent软件对鱼礁进行CFD仿真,发现鱼礁迎流面前部上升流的最大高度随来流速度的增加而增加,鱼礁后方背涡流的长度约为鱼礁高度的9.3~9.6倍,表明其具有很好的水动力特性。为进一步验证鱼礁的水动力学性能,在相同尺寸、相同水域环境下对鱼礁模型设计了水槽实验,与仿真结果相互验证,证明了正六棱柱式人工鱼礁水动力性能的有效性。最后采用实地调查的方法对正六棱柱式鱼礁礁区与箱形鱼礁礁区进行建设效果的对比评价,发现两种鱼礁均能对各自所处的海洋环境起到增殖作用,正六棱柱人工礁区的平均生物密度大于对比礁区的生物密度,证明了其良好的水动力特性对增殖效果的有效性。

圆柱镂空型人工鱼礁波流水动力特性数值模拟

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。

同透空率下多孔人工鱼礁流场效应的三维数值模拟研究

通过计算流体动力学技术(CFD),分别模拟了非定常流作用下透空率为20%的箱型、梯形台、三棱体多孔空心单体鱼礁及组合鱼礁在6种来流速度、3种礁体布设工况下的人工鱼礁三维流场。模拟计算结果表明:水流遇到礁体迎流面抬升形成上升流,同种模拟工况下,同类型的多孔空心人工鱼礁以90°摆放时形成的上升流和背涡流规模强度达到最大,30°摆放时次之;单礁体情况下箱型鱼礁产生的流场效应更优。通过分析不同礁距下的九礁组合流场差异,上升流规模强度随着礁距的增加呈现出先增大后减小的趋势,1倍礁体距离下的鱼礁组合能产生更好的流场调控效应,并且箱型鱼礁组合和三棱体鱼礁组合的第一组礁体背面出现双涡旋现象,而梯形台鱼礁组合只存在一个涡旋,同种工况下,箱型鱼礁和三棱体鱼礁组合能更好地发挥鱼礁的集鱼、饵料效应和环境修复功能。

布设间距对多孔方型人工鱼礁流场效应影响的数值模拟研究

采用计算流体动力学(CFD)技术,研究了不同布设间距下,多孔方型人工鱼礁周围水流运动的规律,旨在为深入研究人工鱼礁的集鱼原理和海洋牧场建设中人工鱼礁的投放和布设提供更多参考。本研究采用了4种布设间距,分别为0.5、1、1.5和2倍鱼礁高度,基于计算机数值模拟技术,模拟了速度为0.8m/s的水流流经2个礁体的过程,分别观察鱼礁周围水流运动情况。结果显示,多孔方型人工鱼礁内部和周围存在缓流区、背涡流区、上升流区、死水区等有显著特征的区域;多孔方型人工鱼礁上升流的最大速度与来流速度的比值约为0.95倍;多孔方型人工鱼礁周围上升流最大抬升高度与鱼礁高度之比约为2.1;多孔方型人工鱼礁的结构在一定程度上为鱼礁周围的流态多样性提供了较有利的作用;多孔方型人工鱼礁的布设间距对2个鱼礁单体间的旋涡数量和旋涡方向有较大影响,也对涡量大小和涡量分布范围产生影响。研究表明,在一定范围内,布设间距越大,涡量越大,分布范围越广,但超过一定范围后,涡量不再增大,分布范围也不再扩大;多孔方型人工鱼礁的布设间距越大,背涡流在X方向和Y方向的影响面积越大。研究结果清晰地展现了不同布设间距下的人工鱼礁的流场效应,对在特定条件下进行人工鱼礁投放和布设具有重要意义。

遮板型开孔式正方体人工鱼礁流场特性数值研究

为开发一种能同时增殖鱼类与底栖生物的人工礁体,在山东省莱州湾明波海洋牧场无遮板正方体人工鱼礁的基础上,提出了一种遮板型开孔式正方体人工鱼礁。基于CFD仿真和波流动力学理论,采用Fluent软件分别对无遮板、遮板型不同开口比的正方体人工鱼礁的流场特性进行了数值模拟,比较了5种来流流速条件下两种不同结构礁体周围的上升流、背涡流及遮板以下区域的流场分布特征。结果表明:在不同来流流速条件下,遮板型开孔式正方体人工鱼礁在开口比为0.11时较其他开口比的礁体有更大高度的上升流、更大面积的背涡区及更大范围的顶部涡流,但开口比不会影响遮板以下缓流区域。在相同开口比、相同流速的条件下,遮板型开孔式正方体人工鱼礁能为底栖生物增殖创造更加适合的流场环境,同时能够更好地发挥鱼类增殖效果,开口比为0.11时的遮板型开孔式正方体人工鱼礁的效果最为显著。研究结果可为人工鱼礁的结构型式设计提供新的思路和参考。

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

基于考虑不同形状大小、组合规模的人工鱼礁投放于不同水域环境后形成的流态变化有较大差异,设计x、y、z三个方向不同通透方式的单个正方体人工鱼礁,采用LES(大涡模拟)紊流模式,对定常来流速度下人工鱼礁单体附近流场进行三维数值模拟,建立反映礁体结构的通透系数与礁体产生流场变化的关系。结果显示:上升流和背涡流的规模随通透系数增加而减小;来流方向上,礁体迎流面、背流面的通透系数变化对上升流和背涡流规模影响较为显著,而内部结构的变化则作用不明显,礁体上方与侧方的开口对上升流和背涡流的影响也不显著。迎流面通透系数变化是背涡流规模影响的主要因素。方形单礁缓流区体积随通透系数Tin增大呈线性减小,关系为Vx=-1241.8Tin+1206。通过该研究可在数值计算中通过通透系数与流场变化的关系,实现将复杂礁体简单化,有效地提高计算效率;为将小范围模拟扩大到群礁、甚至大海域的模拟,定量评估人工鱼礁的生态效应打下基础。

镂空型人工鱼礁流场效应的数值模拟研究

应用CFD软件对中空结构梯形台鱼礁和方型鱼礁在非定常流作用下的三维流场进行了数值模拟,揭示了两类鱼礁形成的上升流、背涡流的规模和强度,分析了单体鱼礁和组合鱼礁的流场差异。数值模拟结果表明：梯形台鱼礁上升流区最大速度约为来流速度的0.58~0.67倍、上升流区平均速度约为来流速度的0.15~0.19倍、而上升流区的最大高度为礁体高度的2.12~2.49倍,背涡流区平均速度约为来流速度的0.35~0.36倍、背涡流区的最大宽度约为礁体宽度的1.40~1.61倍、组合鱼礁背涡流区的最大长度约为礁体高度的4.06~4.17倍;方型鱼礁上升流区最大速度约为来流速度的0.56~0.61倍、上升流区平均速度约为来流速度的0.15~0.17倍、而上升流区的最大高度为礁体高度的2.22~2.63倍,背涡流区平均速度约为来流速度的0.30~0.35倍、背涡流区的最大宽度约为礁体宽度的1.75~2.00倍、组合鱼礁背涡流区的最大长度约为礁体高度的3.90~4.06倍。从流场调控效果来看,在相同模拟工况下,选择方型鱼礁比梯形台鱼礁能够更好地发挥鱼礁的环境资源修复功能。

人工鱼礁的水动力学特性及流场效应分析

基于CFD方法,研究了立方体空心开孔人工鱼礁的水动力特性,用上升流和背涡流的体积为参数,分析了来流速度和开口比对流场效应的影响,得到了流场效应随来流速度和开口比的变化规律:上升流规模随流速的增大而增大,背涡流规模随流速的增大而减小;上升流和背涡流的规模均随开口比的增大而减小。鱼礁开口比是流场效应的主要影响因素,来流速度对流场效应的影响次之。

双层十字翼型人工鱼礁流场效应的数值模拟

基于ANSYS Fluent平台,采用湍流模型中的大涡模拟方法(large eddy simulation, LES)对双层十字翼型人工鱼礁4种子礁的流场效应进行数值模拟,采用比混凝土体积法分析其背涡流体积、上升流体积、向上水体输运通量等流场效应数据,得到双层十字翼型鱼礁的最优礁体构造,以期为人工鱼礁的设计和选型提供科学依据。结果表明:双层十字翼型鱼礁加顶板对流场效应并无增益,上升流和背涡流相对体积变小;侧板结构对礁体的上升流和背涡流效应有明显的增益,上升流和背涡流相对体积逐渐变大,全侧板D型礁体的上升流和背涡流效应最强,上升流相对体积可达无侧板B型礁体的13.50~25.48倍,背涡流相对体积达1.40~1.61倍;向上水体输运通量约在一倍礁高处达到最大值,约在两倍礁高处降为最大值的1/2。迎流角度的改变,对D型礁体流场效应的影响无显著差异,表明D型礁体对自然海域的潮流流向有很好的适应性。