帶葉輪的人工魚礁流場效應的數值模擬研究

摘 要：由于過度捕撈和環境污染，全球漁業資源持續下降，許多天然漁場遭到嚴重破壞，目前以人工魚礁為主要修復手段的海洋牧場建設在世界各沿海國家得到迅猛發展，并且取得了良好的效果。文章設計了一種帶葉輪的人工魚礁，對魚礁體進行安全性能的計算和校核，并用Fluent軟件對其進行了計算流體力學CFD仿真。結果表明其具有很好的水動力特性，流體經過魚礁后所產生的最大速度基本與來流速度成正比，而背渦流的長度不隨來流速度的增加而改變，為以后對魚礁的布局提供了依據。

關鍵詞：人工魚礁；數值模擬；CFD；流場效應

1 概述

近年來，中國在漁業生產方面有了明顯的進步，水產品產量已居世界前列。如果漁場因過度捕撈和環境污染而嚴重破壞，許多水生資源將耗盡。 如果不采取有效措施進行修復和保護，沿岸的漁業將像土地荒漠化一樣被放棄，漁業的發展將受到嚴重影響。因此，必須要保護和改善海洋生態環境，增加水生生物資源的數量。在世界漁業中，日本等發達國家在改善捕魚環境方面的各種嘗試和研究，包括使用人工魚礁來改善和優化海洋的生態環境，已被廣泛使用。人工魚礁是人們在海域范圍內投放的構造物，其投放的目的在于改善海域生態環境，為動物和植物創造一個良好的生活環境，同時也可用于為魚類等海洋生物提供生長、繁殖、取食和棲身的生活場所，從而達到保護、增殖和提高海洋魚類和種類的目的[1]。

人工魚礁多部署在淺水區，以減少沿海侵蝕，增加魚類和產量。然而，人工礁在投入海底放置過程中存在一些問題，如礁石的穩定性、材料的耐久性、性能設計因素的影響等等。針對上述問題，我們總結出人工魚礁水動力性能的研究對于人工魚礁的發展非常重要。流場效應是人工魚礁水動力性能的一個重要方面，它主要是指當它被放入海域時可以在魚礁前面產生的局部上升流。上升流一方面會將底部的沉積物和養分轉移到水面附近的水中，以提高海域的餌料水平，起到收集魚的作用。另一方面，人工魚礁在魚礁下游形成旋渦流區域，為魚類提供棲息地，繁殖和棲息地。人工魚礁漁業資源的生態效應主要通過人工魚礁的流場效應來實現的。 因此，正確的人工魚礁引起的流場效應，優化魚礁體的結構，分析它的集機制和誘餌效應非常重要。

目前，許多學者利用各種方法來研究人工魚礁的流場影響，并取得了一些初步的成果。肖榮等[2]在不穩定流動下模擬了梯形礁和方形礁的三維流場，揭示了兩種礁形成的上升流和背渦流的規模和強度，分析了單石礁和組合珊瑚礁之間的流場差異。姜昭陽等[3，4]通過實驗和數值模擬研究了人工魚礁的水動力特性，得到了單一魚礁流場效應與流速的變化規律。

文章主要根據流體力學相似原理，對魚礁礁體進行受力分析，對礁體是否滑移、傾覆進行穩定性計算和校核；基于 ANSYS FLUENT 14.0 平臺，采用 CFD 技術[5]仿真了不同流速下魚礁體結構繞流規律，并對六棱柱型人工魚礁礁體模型進行分析。

2 帶葉輪的人工魚礁總體結構設計

現有的魚礁設計主要從水動力學、生物學和材料學等角度進行考慮，文章創新性地把人工魚礁與葉輪結合一起，設計了一種帶葉輪的人工魚礁，葉輪在波浪能的作用下旋轉可以把海域底部的有機鹽或營養物質帶到海域上部來，為魚兒提供食物；同時魚礁內部的泥沙和垃圾在葉輪的旋轉下被排出人工魚礁外，使魚礁內部保持潔凈的環境，有利于魚兒健康成長。一種帶葉輪的人工魚礁主要包括魚礁蓋，人工魚礁礁體，魚礁底部支架，葉輪。人工魚礁礁體是有六個相同的四邊形的面組成。如圖1所示。

5 人工魚礁周圍流場模擬

5.1 計算流域參數設置

5.1.1 計算區域

研究中模擬魚礁投放區的海域水深15m，整個流場區域的尺寸為30×20×20m，如圖3所示。其中來流方向為x 軸方向，坐標原點置于礁體底面中心，計算域進口至礁體原點的距離為10m，計算域出出口至礁體原點的距離為20m，計算域兩側面至礁體中心為10m，計算域頂部面至礁體頂部的距離為17m。

5.1.2 控制方程

由于流動分離及漩渦的演變發展，人工魚礁繞流可視為典型的非定常、不穩定流動過程。其控制方程采用連續性方程和N-S方程，而湍流模型則選取K-epsilon模型。

5.1.3 網格劃分和邊界條件

計算區域入口設為速度入口條件，考慮到在投放人工魚礁的海域流速以不超過1m/s為宜，文章研究選取0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1m/s等5種不同來流速度進行模擬仿真；文章采用四面體非結構性網格，靠近魚礁的局部區域對網格進行加密處理。計算區域出口設為自由出流條件；計算區域的兩側和頂面采用對稱邊界條件；計算區域的底面和魚礁壁面采用無滑移邊界條件。求解器選用適用于不可壓縮及低速流動流體的全隱式的分離求解器，壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法進行迭代，方程離散采用QUICK格式，計算精度控制殘差值為10-6。

5.2 仿真結果分析

為了分析魚礁周圍流場的分布情況，選擇來流速度為1 m/s的魚礁周圍的流場進行分析。流場的YZ平面上的速度流線圖、豎直速度分布云圖如圖4所示。

由圖4分析可知：當水流經過魚礁時流速變緩，在魚礁的前方形成一片滯留區；當水流遇上魚礁壁面時，流向會發生改變，在魚礁迎流面前部，會形成上升流和側向流，在魚礁后方的背流面產生了背渦流。

從圖4（a）可以看出，最大的速度為1.28m/s，觀察到在魚礁周圍沒有形成明顯的漩渦，由于大部分水流直接從魚礁體的開孔處穿過，但在魚礁內部形成了很小的漩渦。從4（b）圖可以看出在魚礁后方產生了背渦流。

為了分析不同來流速度下魚礁所產生的上升流的情況，選取了5種不同的來流速度進行CFD仿真，得到了不同來流速度下流場在YZ平面上的速度矢量圖，如圖5所示。從仿真的結果中可以得出不同來流速度工況下上升流最大流速、流體流經魚礁所產生的最大流速以及分別與來流速度的關系如表1和圖6所示。

從圖6以及表1可以看出，上升流的垂直速度隨著來流速度的增大而增大，幾乎成線性關系，比例系數約為0.85左右；因此上升流的最大高度與來流速度也應該大致呈線性關系，即上升流的高度隨來流速度的增大而增大；由魚礁的影響所產生的最大流速代表了魚礁的水動力特性的豐富性，即最大流速越大，其越能滿足適應不同流速的魚類的需求，集魚效果也就越好。最大流速與來流速度之比為1.3左右，說明最大速度與來流速度呈線性關系，即最大流速隨來流速度的增大而增大。

6 結束語

該人工魚礁具有容積寬闊，結構復雜，附著面積大等優點。魚礁的設計在充分發揮其體積優勢的基礎上，其材料采用鋼筋混凝土，能夠有效保證魚礁在投放時的沖擊強度和使用壽命。計算表明該種人工魚礁在海底能安全穩定的存在。通過Fluent軟件對魚礁的周圍的流場進行CFD仿真，表明該人工魚礁能形成上升流和背渦流，具有很好的水動力特性，同時魚礁所產生的上升流高度以及流體經過魚礁后所產生的最大速度隨著來流速度的增大而增大，而背渦流的長度不隨來流速度的增加而改變，這些結論為以后對魚礁的布局提供了依據。

參考文獻

[1]劉鵬.人工魚礁的發展現狀及環境功能[J].現代農業科技，2011（20）：312-313.

[2]肖榮，楊紅.鏤空型人工魚礁流場效應的數值模擬研究[J].上海海洋大學學報，2015，24（6）：934-935.

[3] JIANG Zhao-yang，LIANG Zhen-lin，TANG Yan-li，etc.Numerical simulation and experimental study of the hydrodynamics of a modeled reef located within a current[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2010，28（2）：267-273.

[4] Kim，Lee C G J W，Park J S.Artificial reef designs for Korean coastal waters.Bulletin of Marine Science，1994，55（2-3）：858-866.

[5]崔勇，關長濤，萬榮，等.人工魚礁流場效應的數值模擬與仿真研究[J].系統仿真學報，2009，21（23）：393-396.

[6]宋亞民.舟山群島水文特性[J]. 水文， 2001， 21（06）：59-62.

[7]劉洪生，馬翔，章守宇，等.人工魚礁流場效應的模型試驗[J].水產學報，2009，33（2）：229-236.

[8]中村充.水產土本學[M].東京：工業時事出版社，1991.

[9]賈后磊，謝健，彭昆侖.人工魚礁選址合理性分析[J].海洋開發與管理，2009，26（4）：72-75.

[10]吳子岳， 孫滿昌， 湯威. 十字型人工魚礁礁體的水動力計算[J].漁業科學進展，2003， 24（4）：32-35.

作者簡介：吳偉（1990-），女，安徽淮北，碩士研究生，主要從事海洋工程、機械設計等方面的研究。

姜少杰（1965-），女，副教授，主要從事機械設計、海洋工程等方面的研究。

袁俊（1991-），男，碩士研究生，主要研究領域為漁業機械。

劉海敵（1990-），男，碩士研究生，主要研究領域為漁業機械。