三種疊放形式的圓管型人工魚礁流場效應數值模擬與PIV試驗研究*

鄭延璇 梁振林 關長濤 宋協法 李 嬌 崔 勇李 強 單曉鸞 徐雯雯

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三種疊放形式的圓管型人工魚礁流場效應數值模擬與PIV試驗研究*

鄭延璇1, 2梁振林1, 3關長濤2①宋協法1李 嬌2崔 勇2李 強4單曉鸞4徐雯雯4

(1. 中國海洋大學 海洋生物水環境工程實驗室 青島 266003; 2. 中國水產科學研究院黃海水產研究所 農業部海洋漁業可持續發展重點實驗室 碳匯漁業實驗室 青島 266071; 3. 山東大學(威海) 漁業工程實驗室 威海 264209; 4. 乳山市海洋與漁業局 威海 264500)

人工魚礁單體按不同的數量和排列方式組合投放會產生不同的流場效應。圓管型礁為目前黃渤海區增殖礁的重要礁體型式, 為優化該礁體的投放數量與排列方式, 選擇了3種不同疊放個數(1個、3個和6個)的圓管礁, 設定了5個流速梯度(4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s), 利用PIV粒子圖像測速技術和Fluent數值模擬軟件對圓管型人工魚礁的流場進行水槽模型試驗和數值模擬。結果表明, 數值模擬結果與水槽試驗結果基本吻合, 誤差在20%以下, 表明數值模擬能夠反映人工魚礁的流場效應; 當礁體疊放個數一定時, 最大上升流流速、上升流高度和上升流面積均隨來流速度的增加而增大, 背渦流面積呈現不規則的變化; 當來流速度一定時, 最大上升流流速、上升流面積、上升流高度和背渦流面積均隨礁體疊放個數的增加而增大。

人工魚礁; 流場效應; 數值模擬; PIV試驗

人工魚礁是人為地在海中投放的構造物, 能夠利用海洋生物的行為特性, 將生物誘集到魚礁區, 為海洋生物提供一個良好的生長、繁育的人工場所。人工魚礁投放到海域后會產生多種效應, 如餌料效應、流場效應等, 其中流場效應被認為是人工魚礁的主要影響機制。研究表明人工魚礁的流場效應決定著海域的營養鹽和初級生產力水平, 顯著影響魚礁的生物誘集和增殖功能(王宏等, 2009)。

目前, 國內外學者對于人工魚礁流場效應的研究主要為水槽試驗和風洞模型試驗, 也有少數學者將粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry, PIV)技術和計算機數值模擬應用到人工魚礁流場效應的研究中。日本學者中村充(1979)在數學形式上將人工魚礁的受力表示成流速和流速導數的函數。關長濤等(2010)利用粒子圖像測速方法對復合M型魚礁模型周圍的流場進行了分析。劉彥等(2010)利用粒子圖像測速方法研究了星體型人工魚礁周圍的流場變化。此外, 還有部分學者利用計算機數值模擬的方法對人工魚礁區流場特性進行研究(劉同渝, 2003; 虞聰達等, 2004; 潘靈芝等, 2005)。崔勇等(2009, 2011)采用ANSYS軟件對單體星型礁和不同布設間距的組合正方體礁周圍的流場進行了分析, 證明了數值模擬能夠準確的反映人工魚礁周圍的流場分布。Jiang等(2010)利用Fluent軟件和PIV水槽模型試驗分析了單體立方體礁的受力和流場效應, 數值模擬結果與實驗結果基本一致, 表明數值模擬能較好的反映人工魚礁周圍上升流和背渦流情況。李珺等(2010)采用LES(大渦模擬)紊流模式, 對米字型人工魚礁單體周圍的流場進行了三維模擬, 并將模擬結果與水槽試驗結果相比較, 表明利用三維數值模擬計算方法模擬人工魚礁的流場變化是可行的。

圓管型人工魚礁是一種常用礁型, 經過近年來的投放使用, 發現其集魚效果顯著, 生態效應良好。由于圓管礁為了保持其結構的穩定性和堅固性, 礁體規格較小, 因此在投放時, 常采用成堆投放的方式, 在海底形成的礁群形狀也多種多樣, 所以礁群周圍的流場效應也不同。本文利用PIV技術, 對不同疊放個數圓管型人工魚礁周圍的流場進行模型試驗, 同時利用Fluent軟件, 做了相同規格尺寸、相同水域環境下的數值模擬, 以期能夠通過綜合分析PIV模型試驗結果和數值模擬結果, 為人工魚礁結構設計、投放形式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 PIV模型試驗

1.1.1 試驗裝置 PIV測試技術能夠在不干擾流場的情況下精確得到二維流場的速度場分布, 具有無接觸、無擾動、準確度高的特點, 特別適用于湍流等非定常復雜流場的測量, 是研究湍流等復雜形態瞬態流動的有力手段(胡海豹等, 2007; 劉彥等, 2010)。

PIV流場試驗于2012年4月在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室PIV水槽中進行。該水槽長22m、寬0.45m、高0.6m, 試驗段水槽底部和側面均由透明玻璃構成, 一端配有造流系統通過調節造流裝置的電機頻率()來改變流速, 水深設定為0.5m, 水體為自來水。試驗采用美國TSI公司設計的PIV系統, 主要包括高速CCD相機、EPIX(R)圖像采集卡等, 示蹤粒子采用聚氯乙烯(PVC)粉末, 試驗光源采用激光, 激光脈沖采用同步儀控制。圓管礁原型尺寸為：圓管外直徑0.5m, 高1.0m, 壁厚0.05m。根據魚礁投放實際水深(10m)和水槽最大水深(0.5m), 確定魚礁模型比尺為1∶20, 材料為有機玻璃。模型尺寸為：圓管外直徑為0.025m, 高度為0.05m, 壁厚為0.0025m。實驗裝置如圖1所示。

1.1.2 試驗方法和內容 試驗時, 將與流體密度相當并且具有良好跟隨性和反光性的示蹤粒子投入到所研究的流體空間, 把魚礁放置在水槽的中間測試區域, 為了避免魚礁出現滑移、滾動現象, 將礁體固定在玻璃上。由于魚礁模型粘貼在非常光滑的玻璃板上, 邊界層對試驗的影響效果并不顯著, 可以假設為光滑的平面。因此在水槽模型試驗與數值模擬研究魚礁周圍流場效應時, 均忽略了底部邊界層對實驗精度的影響。激光從水槽底部打向模型的中軸面, 將聲學多普勒(ADV)流速儀設置在魚礁的上游位置, 當ADV流速儀顯示來流速度達到試驗流速時, 使用CCD高速攝像機捕捉粒子跟隨流體運動的圖像, 每個流速采集2次, 每次采集50對圖像, 每對圖像采集的時間間隔為0.4s, 用Insight 3G軟件對圖像進行分析即可得相應流場的流速分布。將每50個流場分布圖利用Tecplot軟件計算該時段的平均流場分布, 可得兩組平均流場分布圖, 取其平均, 則認為是該流速下的流場分布。

圖1 PIV試驗布置示意圖

圓管型礁體流場試驗分3種疊放數目, 分別由1個圓管、3個圓管與6個圓管組成。魚礁結構如圖2所示。根據魚礁投放海域的最大流速和試驗流速的梯度設計, 選取5個海域實際流速, 依次為20、40、60、80、100cm/s。由于在水槽模型試驗中, 水流的主要作用力是重力、慣性力和紊動阻力, 因此在保證主要作用力相似, 忽略次要力的基礎上, 使模型試驗的精度滿足需要。根據重力和紊動阻力相似準則, 試驗流速依次為4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s。在這5種試驗流速下, 雷諾數在103—104之間, 根據相似與模化理論, 流場進入“自動模型區”(周應祺, 2001)。

3種疊放數目魚礁的最大長度為0.075m, 寬度為0.05m, 水槽長度為22.0m, 寬度為0.45m。試驗時, 將礁體擺放在水槽中間位置, 水槽長度滿足了魚礁模型試驗的要求, 魚礁距離水槽側壁的距離達到了4倍的礁體寬度, 可以忽略壁面效應的影響, 因此也基本滿足模型試驗的要求。

1.2 數值模擬方法

1.2.1 控制方程和標準-湍流模型 根據人工魚礁區流體的特性, 將流體假設為不可壓縮、定常、粘性流體。時均連續方程和Reynolds方程如下(王福軍, 2004):

圖2 單個圓管、3個圓管和6個圓管礁疊放方式示意圖

其中,G是由于平均梯度引起的湍動能的產生項,eff為有效湍動粘度,1和2為經驗常數, 這些項和系數的計算公式如下：

式中,μ為湍動粘度;為無量綱參數;0C均為常數;E為時均應變率。

1.2.2 數值模擬模型 模擬采用的人工魚礁規格與PIV試驗中模型的規格一致, 具體尺寸為圓管外直徑0.025m, 高0.05m, 壁厚0.0025m。

1.2.3 計算域和邊界條件 計算域尺寸的設定是根據PIV試驗中水槽的尺寸和魚礁單體的尺寸綜合決定的。在模擬中, 將計算域的寬度設定為水槽的寬度0.45m, 計算域的高度設定為水深高度0.5m, 計算域的長度則根據魚礁單體的尺寸進行設定, 為16倍的礁體長度(魚礁前方5倍, 魚礁后方10倍), 以確保尾流區的范圍能達到10倍的礁體尺寸。計算域尺寸設定如圖3所示。

圖3 計算域尺寸的設定

數值模擬中設定的邊界條件如下(王福軍, 2004; Huggins, 2004, 2005)：

(1) 入口邊界條件選擇速度入口邊界條件(5個入口流速), 其中湍動能強度和湍流尺度都是根據計算域的各項參數預先計算好的。由于動力水槽在造流時受電壓等影響, 存在造流不穩定的問題, 所以模擬采用的具體流速大小根據水槽試驗的實際測量值來確定。

(2) 出口邊界條件選用壓力出口邊界條件, 在出口邊界處設置的靜壓是相對壓力。

(3) 魚礁個體及底面設定為壁面邊界條件, 并且采用默認的無滑移邊界條件。

1.3 人工魚礁流場效應評價指標的計算方法

虞聰達等(2004)研究表明, 不同類型船礁組合產生的最大上升流流速為來流速度的0.05—0.15倍, Liu等(2012)認為, 研究人工魚礁流場效應時, 當豎直方向(軸)的流速等于或者大于10%的來流速度時, 就把該區域定義為上升流區域。為此, 本文借鑒上述研究結論, 將豎直方向流速大于等于0.1倍來流速度的區域定義為上升流區域, 上升流高度和背渦流高度都是以魚礁底部為零點計算的。背渦流面積為背渦流高度和長度的乘積。謝亮(2010)指出, 在計算不規則形狀的面積時, 采用傳統方法可能比較費力, 利用Photoshop可以將圖像中特定的區域做成一個選區, 然后通過統計選區中的像素數目來計算出面積, 再通過比例尺的換算, 得到實地面積。因此在本文中, 上升流面積的計算采用Photoshop像素法。

2 結果與討論

人工魚礁的流場效應主要表現在魚礁前方的上升流區域與魚礁后方的背渦流區域(劉同渝, 2003; 王宏等, 2009)。因此, 本文在分析人工魚礁流場效應時主要考慮魚礁周圍上升流和背渦流的分布情況。

2.1 不同個數礁體疊放的流場效應

2.1.1 單個圓管礁 圖4為PIV試驗(左)和Fluent數值模擬(右)中5個流速下單個圓管礁周圍流場的分布情況。從圖中可以看出, 不論是模型試驗還是數值模擬, 在圓管礁上方都形成了非常明顯的上升流, 在礁體后方也形成了明顯的背渦流。但是從圖中可以看出, PIV試驗中背渦流的形狀不是很明顯, 與數值模擬存在偏差, 這主要有兩方面原因: 一是因為在速度矢量圖中, 流速大小不僅用顏色表示, 也與線段的長短有關, 因此PIV模型試驗的矢量圖中背渦流形狀不是很明顯, 但是可以通過加入軌跡線的辦法畫出PIV試驗中背渦流的形狀; 二是模型試驗存在誤差, 這些誤差可能由多個因素引起, 例如示蹤粒子的密度、水槽的震動等。

(1) 上升流 在分析人工魚礁上升流效應時, 選擇最大上升流流速、上升流高度和上升流面積作為衡量上升流效應的指標。從圖5中可以看出, PIV試驗與Fluent數值模擬均能反映出模型礁體上方存在上升流。最大上升流流速隨來流速度的增加不斷增大, 流速計算值相對于測量值之間的相對誤差在0— 18.18%之間, 來流速度越大誤差越大; 上升流高度受來流速度的影響, 整體表現為上升趨勢, 計算值對于測量值之間的相對誤差在2.78%—13.19%之間, 來流速度越小誤差越大; 上升流面積隨來流速度的增加逐漸增大, 但面積計算值的增大幅度遠遠小于面積測量值, 相對誤差在1.29%—10.91%之間, 整體表現為來流速度越小, 誤差越大。

(2) 背渦流 本文選擇背渦流面積作為衡量人工魚礁背渦流效應的重要指標。由圖5d可以看出, 背渦流面積的計算值和測量值受來流速度的影響不是很大, 整體表現為隨來流速度的增加而逐漸減小的趨勢, 計算值對于測量值之間的相對誤差在0.50%—14.22%之間, 流速越大誤差越大。

2.1.2 3個圓管礁

(1) 上升流 圖6a為3個圓管礁周圍的最大上升流流速, 從圖中可以看出, 隨著來流速度的增加, 最大來流速度的計算值和測量值均不斷增大, 計算值略大于測量值, 計算值較測量值之間的相對誤差在4.00%—16.18%之間。圖6b為上升流高度與礁高比值的示意圖, 從圖中可以看出, 隨著來流速度的增加, 上升流高度的計算值和測量值均增大, 但計算值的增大幅度小于測量值的增大幅度, 整體表現為計算值大于測量值, 計算值對于測量值之間的相對誤差在4.09%—14.11%之間, 來流速度越大誤差越小, 其原因也可能是失蹤粒子的密度略大約水的密度。圖6c為上升流面積與迎流面積的比值, 從圖中可以看出, 上升流面積的計算值和測量值均隨來流速度的增加而增大, 計算值大于測量值, 計算值對于測量值之間的相對誤差在3.18%—19.16%之間, 在大流速下誤差較小。

(2)背渦流 圖6d為3個圓管礁周圍的背渦流面積與迎流面積的比值, 從圖中可以看出, 背渦流面積隨來流速度的增大呈現先增大后減小再增大的波動, 計算值略大于測量值, 相對誤差在10.39%— 15.83%之間, 流速越大, 誤差越大。

2.1.3 6個圓管礁

(1)上升流 圖7a為6個圓管礁周圍的最大上升流流速, 從圖中可以看出, 最大上升流流速的計算值和測量值均隨來流速度的增加而增大, 表現為計算值略大于測量值, 相對誤差在2.04%—12.88%之間。圖7b顯示上升流高度也隨來流速度的增加不斷增大, 計算值對于測量值的相對誤差在0—11.00%之間。圖7c為上升流面積與迎流面積, 隨來流速度的增加, 上升流面積的計算值和測量值均不斷增大, 計算值略小于測量值, 相對誤差在2.90%—14.01%之間。

圖4 5個流速下單個圓管魚礁周圍的流場分布

左側圖片均為PIV試驗流場分布圖, 右側圖片均為數值模擬流場分布圖

圖5 單個圓管魚礁的最大上升流流速與來流速度的比值(a)、上升流高度與礁高比值(b)、上升流面積與迎流面積比值(c)、背渦流面積與迎流面積比值(d)

最大上升流流速:max; 來流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面積:up; 迎流面積:; 背渦流面積:back; 迎流面積:

圖6 3個圓管魚礁的最大上升流流速與來流速度的比值(a)、上升流高度與礁高比值(b)、上升流面積與迎流面積比值(c)、背渦流面積與迎流面積比值(d)

最大上升流流速:max; 來流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面積:up; 迎流面積:; 背渦流面積:back; 迎流面積:

圖7 6個圓管魚礁的最大上升流流速與來流速度比值(a)、上升流高度與礁高比值(b)、上升流面積與迎流面積比值(c)、背渦流面積與迎流面積比值(d)

最大上升流流速:max; 來流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面積:up; 迎流面積:; 背渦流面積:back; 迎流面積:

(2) 背渦流 圖7d為6個圓管后的背渦流面積與迎流面積的比值, 從圖中可以看出, 背渦流面積隨來流速度的增加而增大, 計算值大于測量值, 相對誤差在1.53%—9.41%之間, 來流速度越大, 誤差越大。

分析上述3種圓管礁在數值模擬和水槽試驗的誤差情況, 可以看出：在最大上升流流速上, 來流速度越大, 誤差越大, 主要是因為在PIV試驗中, 大流速下, 上升流區域的流場發生一定的擾動, 導致PIV試驗測得的流速偏小, 誤差較大; 在上升流高度上, 來流速度越小, 誤差越大, 這與水槽試驗中采用的示蹤粒子密度略大于水(=1050kg/m3)有關。在小流速下, 粒子跟隨性下降, 導致誤差較大; 在背渦流面積上, 來流速度越大誤差越大, 分析原因是在Fluent數值模擬中, 渦流能非常理想的收斂, 而在PIV試驗中, 渦流收斂不明顯, 流速越大, 收斂越慢, 誤差越大。但以上誤差均在允許范圍內, 表明數值模擬和水槽試驗具有良好的吻合性。

2.2 單個、3個和6個圓管礁周圍流場效應的比較

由于3種疊放數目的魚礁在PIV試驗與模擬中實際采用的流速略有不同, 但差別不大, 因此在分析三者區別時, 均采用理想流速, 即0.045、0.09、0.135、0.18和0.225m/s來區分5個流速下的魚礁周圍的流場分布。此外為了更加明確的表達魚礁周圍形成的上升流和背渦流的規模, 在此引入了絕對高度、相對高度和絕對面積、相對面積的概念。絕對高度是指魚礁周圍形成的各評價指標的實際高度, 相對高度指實際高度與礁高的比值; 絕對面積指魚礁形成的各評價指標的實際面積, 相對面積則是指實際面積與迎流面積的比值。通過比較魚礁各評價指標的相對值, 可以得到魚礁形狀對流場效應的影響, 而通過比較魚礁各評價指標的絕對值, 則可以得到魚礁個數對魚礁周圍流場的影響。

圖8a是三種數目魚礁在五種來流速度下的最大上升流流速, 從圖中可以看出, 6個圓管礁疊放后前方形成的最大上升流流速略大于其他兩種, 說明6個圓管組成的單位礁形成的上升流強度較大。圖8b顯示魚礁前方形成的上升流高度受來流速度的影響不大, 但隨著魚礁擺放個數的增大, 形成的上升流的相對高度逐漸減小, 這表明, 三種形狀的單位礁隨著構成單位礁的魚礁個數的增加, 上升流高度不斷減小; 通過數據分析可知, 上升流的絕對高度隨魚礁個數的增加顯著增大, 表明魚礁投放個數越多, 形成的上升流的絕對高度越大。圖8c表明6個圓管礁上方形成的上升流的相對面積略大于另外兩種, 說明隨著構成的單位礁中魚礁個數的增加, 上升流的相對面積略有增大; 同時數據顯示, 形成的上升流的絕對面積顯著增加, 表明隨著圓管礁投放個數的增加, 上升流的絕對面積不斷增加。圖8d為背渦流面積與迎流面積的比值, 從圖中可以看出, 背渦流的相對面積隨魚礁個數的增加而增大, 表明三種形狀的單位礁中, 背渦流的規模隨著構成單位礁的圓管的個數增加而增大; 另外背渦流的絕對面積隨著魚礁投放個數的增加顯著增大, 表明投放魚礁個數越多, 背渦流面積越大。

圖8 3種疊放個數魚礁形成的最大上升流流速與來流速度比值(a)、上升流高度與礁高比值(b)、上升流面積與迎流面積比值(c)、背渦流面積與迎流面積比值(d)的比較

最大上升流流速:max; 來流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面積:up; 迎流面積:; 背渦流面積:back; 迎流面積:

3 結論

根據三種疊放個數圓管礁的PIV二維流場測試結果和Fluent數值模擬結果, 通過分析魚礁周圍流場的數據可得到以下結論：

(1)PIV二維流場測試結果與Fluent數值模擬結果較吻合, 流場各評價指標的誤差均在20%以下, 表明數值模擬結果能夠較好的反應人工魚礁周圍的流場分布, 可以用來補充模型試驗結果的不完善性。

(2)對于三種疊放個數的圓管礁, 實驗結果和模擬結果均顯示在來流速度增加時, 魚礁周圍的最大上升流流速、上升流高度和上升流面積均增大, 表明上升流規模隨著來流速度的增加而增大; 背渦流面積的變化沒有規律性, 可能是由試驗誤差所引起的。

(3)在來流速度保持一定時, 上升流面積、背渦流面積的絕對值均隨魚礁疊放個數的增加而增大, 表明上升流規模和背渦流規模隨著魚礁個數的增加而增大。原因是圓管礁在疊放在一起時, 魚礁的規模增大, 因此魚礁周圍的流場效應也增強; 另外魚礁的上升流面積和背渦流面積的相對值也隨著個數的增加而增大, 表明在單位礁的尺寸基本一致時, 構成單位礁的個數越多, 流場效應越強, 原因是各圓管組合在一起時能夠形成一個協同效應, 各圓管之間相互作用, 增大了魚礁的流場效應。

本文通過PIV試驗和Fluent數值模擬分析了不同疊放個數圓管型人工魚礁周圍的流場分布情況, 并通過比較測量值和計算值, 驗證了數值模擬分析魚礁流場分布的可行性。通過不同疊放個數魚礁周圍流場的分析, 發現了一些差異和規律, 為圓管型人工魚礁的投放提供了一定的理論依據, 同時也為人工魚礁結構的設計提供了有價值的參考。

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NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY ON FLOW FIELD OF ARTIFICIAL REEFS IN THREE TUBE-STACKING LAYOUTS

ZHENG Yan-Xuan1, 2, LIANG Zhen-Lin1, 3, GUAN Chang-Tao2, SONG Xie-Fa1,LI Jiao2, CUI Yong2, LI Qiang4, SHAN Xiao-Luan4, XU Wen-Wen4

(1. Ocean University of China, Lab for water environmental engineering of marine biology, Qingdao 266003, China; 2. Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture, Carbon-Sink Fisheries Laboratory, Qingdao 266071, China; 3. Shan Dong University, Weihai, Lab for fisheries engineering, Weihai 264209, China; 4. Rushan City Ocean and Fishery Administration, Weihai 264500, China)

Stacking forms of fixtures in an artificial reef at seabed affect local flow field. Tubes are widely used for artificial reefs construction in Yellow Sea and Bohai Sea. In order to optimize the function of the reefs, particle image velocimetry and Fluent numerical simulation were applied for analyzing flow fields around reefs built with tubes in three stacking strategies, i.e., single-, triple-, and hexad-tube-stacking layouts at five water flow velocities (4.5, 9.0, 13.5, 18.0, and 22.5cm/s). The results of numerical simulation are consistent with the experimental result in error of < 20%. The maximums of upwelling in velocity, height, and area increased with the increment of velocity while the maximum area of vortices varied irregularly. In addition, these maximums increased with the increment of the number of tubes in stack.

artificial reefs; effect of flow field; numerical simulation; PIV experiment

10.11693/hyhz20121108001

* 公益性行業(農業)科研專項, 201003068號; 中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目, 2010-CHB-01號, 20603022011006號。鄭延璇, 博士研究生, E-mail: xuanxuan861220@163.com

關長濤, 研究員, E-mail: guanct@ysfri.ac.cn

2012-11-08,

2013-04-11

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