人工魚礁水動力的實驗研究與流場的數值模擬.pdf

1、由于捕撈強度增強和環(huán)境污染，我國近海漁業(yè)資源嚴重衰退，修復近海水域生態(tài)環(huán)境、保護漁業(yè)資源、保持海洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是當前面臨的迫切任務。建設人工魚礁，發(fā)展海洋牧場是緩解漁業(yè)資源衰退、漁場“荒漠化”、促進沿海漁場建設的一項重要措施。由于人工魚礁處于海洋環(huán)境中，同時受到波浪和水流的共同作用，但是一般意義上的人工魚礁都放置在海底，屬于底置魚礁，因此，大部分有關人工魚礁的水動力學性能的研究不考慮波浪影響。人工魚礁的基礎研究主要是魚礁材料、結構、

2、穩(wěn)定性、魚礁合理布局、投放魚礁的密度以及魚礁區(qū)生態(tài)系、魚礁區(qū)流態(tài)變化、魚礁區(qū)的漁具漁法等。魚礁的強度和穩(wěn)定性設計要考慮選用的魚礁材料和海域的水流環(huán)境。魚礁流場的影響范圍、流態(tài)分布都要受到魚礁結構形狀、規(guī)模大小的影響，魚礁流場分布特征直接影響到人工魚礁的投放布局。為了提高人工魚礁的可靠性和魚礁效能，在人工魚礁設計和投放之前，應該首先運用工程分析的方法研究人工魚礁的水動力性能和流場效應，研究這類結構力學性能的通常方法有模型實驗、數值模擬。隨

3、著計算機技術的迅速發(fā)展，數值模擬廣泛應用到各行各業(yè)，并且越來越受到重視。因此，本文應用水槽實驗和數值模擬2種方法研究人工魚礁的水動力和流場特征。
　　本文以3m3m3m的方型魚礁做為實物礁體，取尺度比λL=20，制作了2種15cm15cm15cm的魚礁模型。在回流水槽中測量不同水流速度下的魚礁水阻力，并計算阻力系數（Cd）與雷諾數（Re）。結果表明：無蓋礁體模型正面迎流時（θ=0o），當Re超過7.5×104時，Cd為1.64，其

4、自動模型區(qū)域為Re>7.5×104；45°方向迎流時（θ=45o），當Re超過6.36×104時，Cd為1.3，其自動模型區(qū)域為Re>6.36×104。有蓋礁體模型正面迎流時，當Re超過6.0×104時，Cd為1.69，其自動模型區(qū)域為Re>6.0×104；45°方向迎流時，當Re超過8.48×104時，Cd為1.43，其自動模型區(qū)域為Re>8.48×104。一種礁體模型在不同迎流方式下所受的阻力不同，45°方向迎流比正面迎流時的阻力大

5、。在相同的迎流方式下，有蓋礁體所受的阻力比無蓋礁體大。
　　本文通過FLUENT和ANSYS對水流經過人工魚礁的流場變化進行單向耦合分析。其中，幾何建模及網格劃分分別在DM Geometry及Mesh中進行，流體分析在FLUENT中完成，結構分析在Static Structural（ANSYS）中設置。利用FLUENT的后處理，得到流場中不同斷面的速度云圖。從水流速度云圖上，可以明顯看出流體在經過魚礁后，周圍流場受到的影響是顯著的

6、。通過實驗數據和模擬結果對比分析可以看出，利用ANSYS WORKBENCH做單向流固耦合分析對人工魚礁流場進行數值模擬是可行的。進而可以通過數值模擬來預測水流經過魚礁后，在距離魚礁多遠距離流場會得到恢復，也就可以據此推斷，下一個魚礁投放的合適位置。從水流速度云圖上可以看出，在水流方向上距離礁體17倍處（A19斷面），外部流場恢復。從模擬值和測量值比對可以看出，A19斷面以后水流速度基本穩(wěn)定，如果按照進口流速50cm/s計算，穩(wěn)定后的流

7、速誤差在0.7-2.94％。同樣，從水流速度云圖上也可以看出，位于礁體兩側的C斷面，距離礁體3.5倍距離處（C8斷面）流場得到恢復。
　　本文研究了柔性結構的人工魚礁水動力性能，柔性結構的人工魚礁主要由支撐框架和網衣組成，支撐框架為圓柱形結構材料，網衣為普通聚乙烯網衣。人工魚礁的單體模型為橢圓形，高為175mm，最大外徑480mm，四周被均勻分為8份，其中，4份用聚乙烯網片（2a=20mm，d=1mm）縫制，其他4份為鏤空結構。將

8、柔性結構的人工魚礁看著是靜止在水中的漁具構件，根據漁具或漁具構件水動力的性質和種類，一個物體所承受的水阻力的大小取決于來流的速度。將魚礁單體按照2種方式進行組合，組合方式1就是將1－4個單體魚礁分別垂直組合成圓柱型結構，共形成4個組合體；組合方式2就是將4個單體魚礁水平組合一起，然后再分別垂直組合1－4層，共形成4個組合體。在循環(huán)水槽中取 V＝0.12、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7m/s共7個流速，測量不同魚礁組合結構

9、在以上7種水流情況下的阻力值（R）。結果表明：
　?。?）當其45o迎流時（=45o）所受到的水阻力比正面迎流（=0o）時大，對于組合方式1的4種組合體（單體、雙體、三體、四體），差值在0.3-23.3%之間；對于組合方式2的4種組合體（一層4個、二層8個、三層12個、4層16個），差值在5.9-35.4%之間。
　　（2）水阻力的計算值比測量值大，對于組合方式1，其差值在4.1-10.8%之間；對于組合方式2，其差值在2.