開口人工魚礁繞流三維水流場數值模擬

1人工魚礁的生態效應研究人工魚礁是指人們買賣到海域的建筑物。將其堆放在海底后，由于礁體的防水效應，會產生場地效應，即上升到礁體前方的河流，并在礁體背面的河流后端形成尾渦流。上升流和尾渦流會促使海底營養物質的卷起和擴散,有利于海底豐富的營養物質在礁體周圍各水層中的分布,從而改善魚群覓食條件。人工魚礁增殖漁業資源的生態效應主要是通過人工魚礁的流場效應來實現,并且人工魚礁流場效應也是魚礁水動力學性能的重要方面。正因如此,人工魚礁流場效應已得到了廣泛關注,不少學者對其進行了研究。這些研究所采用的技術手段包括風洞試驗、水槽試驗以及計算流體動力學(CFD)數值仿真等。特別是近年來,隨著計算機硬件的快速發展和商用CFD軟件的不斷推廣,CFD模擬已成為探究人工魚礁繞流問題的重要手段之一。很多學者采用CFD仿真或物理模擬對單個礁體以及礁體組合條件下的繞流問題進行了研究,并取得了可喜的成果。單個礁體繞流問題的研究表明礁體表面開口對流場效應具有顯著影響,但是目前的研究大都在某一固定開口尺寸下模擬礁體的繞流問題,對于開口面積的變化對流場效應的影響尚缺乏系統分析。鑒于此,本研究將采用CFD技術,選取單個正方體人工魚礁,仿真不同開口面積下正方體魚礁的三維繞流流場,并進而分析揭示出開口比變化對人工魚礁流場效應的影響規律。2開口比和時間分布如圖1所示,采用邊長為3m,壁厚為0.3m的空心、無底、多孔正方體人工魚礁。礁體的每個面上都設有一個正方形開口(5個開口的大小一致,每個面上的開口中心與該面的中心重合)。開口比(φ)表示迎流面上開口的面積與迎流面面積之比。為探究不同開口比下的礁體周圍流場特征,本研究選取魚礁的開口比分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6等6種不同情形。仿真計算區域如圖2所示。整個計算域的大小為60m×33m×30m。坐標原點位于礁體底部中心;自由來流方向為x軸正方向;礁體迎流面與計算域進口的距離為6倍礁體高度,礁體背流面與計算域出口的距離為13倍礁體高度,礁體頂面與計算域頂部的距離為9倍礁體高度,礁體中心與計算域兩側面的距離均為5.5倍礁體高度。3數值模型3.1模型選取與模型構建魚礁繞流為流體力學中典型的非定常、不穩定劇烈分離流動。本研究僅探究魚礁繞流的時間平均特性,因此模擬中選取定常、不可壓的三維N-S方程和連續性方程,而描寫湍流平均量的封閉方程組則采用RNGκ-ε模型。3.2網格生成采用邊長為0.3m的六面體網格,整個計算區域的網格單元總數約為2200000。3.3自由出流條件進口采用均勻速度入口條件,來流速度大小(U)分別為0.4和0.8m/s;出口采用自由出流條件;計算區域的兩側面與頂面均采用對稱邊界條件;計算域底面以及魚礁各壁面均采用無滑移條件。3.4數值算法4開口比對礁體繞流速度分布的影響對于2種不同來流速度大小(0.4和0.8m/s),模擬得到了6種不同開口比下的正方體人工魚礁繞流的三維水流場。在此基礎上,分析揭示魚礁開口比的變化對礁體周圍流場效應的影響。圖3是來流速度為0.4m/s時,不同開口比下的礁體繞流在y=0截面(過礁體中心)上的速度矢量分布。從該圖可以清晰看出,由于礁體的阻水作用,當水體繞魚礁流動時,在礁體迎流面上方以及礁體頂面上方形成上升流,且上升流規模隨開口比的增大而減弱。事實上,開口比越大,魚礁的透水作用越強,而阻水作用越弱,從而導致上升流效應隨開口比的增大而減弱。同樣取水流的z方向速度分量與來流速度之比大于或等于5%的水域作為上升流區域。通過分析過礁體中心的鉛垂線上的速度分布,得到當來流速度為0.4m/s時,上升流最大速度(Vmax)與來流速度(U)的比、上升流平均速度(Va)與來流速度的比、上升流最大高度(Hmax)與礁體高度(H)的比等上升流參數與礁體開口比的關系(見表1)。從表1可以看出,由于孔隙的透水作用,在變化趨勢上,上升流最大速度與來流速度的比以及上升流平均速度與來流速度的比都隨著開口比的增大而降低;而隨著開口比的增大,上升流最大高度與礁體高度的比顯著降低,例如當開口比為0.1時,上升流高度為礁體高度的2.78倍,而當開口比增大到0.6時,上升流高度降低到礁體高度的1.47倍。從圖3還可以清楚看出,礁體背流面后端的尾渦流隨開口比的增大而明顯減弱。當開口比為0.1和0.2時,在礁體背流面后端形成速度很小的大旋渦,而當開口比為0.5和0.6時,由于開口的透水作用幾乎觀察不到明顯的背渦區。圖4是來流速度為0.4m/s時,不同開口比下的礁體繞流在z=1.5截面上的速度矢量分布。從該圖可以看出,當水體繞過礁體迎流面時,除形成上升流外(見圖3),還形成側向流,且側向流的規模隨開口比的增加而顯著減弱。從圖4也可以進一步看出,礁體背流面后端的背渦區長度和寬度也隨開口比的增大而降低:當開口比為0.1和0.2時,在礁體背流面后端形成區域較大而速度很小的尾渦區,而當開口比為0.5和0.6時,由于開口透水作用的加強,在礁體背流面后端已不存在明顯的背渦區。當來流速度為0.8m/s時,不同開口比下的礁體繞流在y=0截面及z=1.5截面上的速度矢量分布形態與來流速度為0.4m/s時的情況類似(以開口比為0.1和0.6為例,見圖5和圖6)。同樣通過分析過礁體中心的鉛垂線上的速度分布,得到當來流速度為0.8m/s時,上升流最大速度與來流速度的比、上升流平均速度與來流速度的比、上升流最大高度與礁體高度的比同開口比的關系(見表2)。對比表1和表2,可以看出,上升流參數基本不受來流速度大小變化的影響。例如,在同一開口比下,兩種不同來流速度時的上升流最大速度與來流速度的比、上升流平均速度與來流速度的比、上升流最大高度與礁體高度的比相差分別不超過7.0%、12.5%和3.0%。5開口比對人工魚礁的流場效應影響采用CFD技術,數值仿真了無底、空心、多孔方型人工魚礁(邊長為3m)周圍的三維水流場。模擬中考慮了2種不同來流速度(0.4和0.8m/s)以及6種不同的魚礁開口比(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6)。通過速度場模擬結果分析,揭示出開口比對人工魚礁的流場效應具有顯著影響:①上升流最大速度與來流速度的比、上升流平均速度與來流速度的比,以及上升流的最大高度與礁體高度的比,均隨開口比的增大而降低;②背渦區的尺度隨開口比的增大而顯著降低,當開口比為0.1和0.2時,在礁體背流面后端形成尺度較大而速度很小的背渦流,而當開口比為0.5和0.6時背流面后端已無明顯旋渦區生成