布設間距對多孔方型人工魚礁流場效應影響的數值模擬研究*

王佳浩 劉莉莉 蔡新晨 陳佳瀅 楊意馨 姜書俠

布設間距對多孔方型人工魚礁流場效應影響的數值模擬研究*

王佳浩 劉莉莉①蔡新晨 陳佳瀅 楊意馨 姜書俠

(浙江海洋大學水產學院 舟山 316004)

采用計算流體動力學(CFD)技術，研究了不同布設間距下，多孔方型人工魚礁周圍水流運動的規律，旨在為深入研究人工魚礁的集魚原理和海洋牧場建設中人工魚礁的投放和布設提供更多參考。本研究采用了4種布設間距，分別為0.5、1、1.5和2倍魚礁高度，基于計算機數值模擬技術，模擬了速度為0.8 m/s的水流流經2個礁體的過程，分別觀察魚礁周圍水流運動情況。結果顯示，多孔方型人工魚礁內部和周圍存在緩流區、背渦流區、上升流區、死水區等有顯著特征的區域；多孔方型人工魚礁上升流的最大速度與來流速度的比值約為0.95倍；多孔方型人工魚礁周圍上升流最大抬升高度與魚礁高度之比約為2.1；多孔方型人工魚礁的結構在一定程度上為魚礁周圍的流態多樣性提供了較有利的作用；多孔方型人工魚礁的布設間距對2個魚礁單體間的旋渦數量和旋渦方向有較大影響，也對渦量大小和渦量分布范圍產生影響。研究表明，在一定范圍內，布設間距越大，渦量越大，分布范圍越廣，但超過一定范圍后，渦量不再增大，分布范圍也不再擴大；多孔方型人工魚礁的布設間距越大，背渦流在方向和方向的影響面積越大。研究結果清晰地展現了不同布設間距下的人工魚礁的流場效應，對在特定條件下進行人工魚礁投放和布設具有重要意義。

計算流體動力學(CFD)；多孔方型人工魚礁；布設間距；上升流；背渦流

人工魚礁是人為置于海底的構筑物，會在其布設周圍的一定范圍內形成上升流，將海底深層的營養物質帶到表層水面，促進浮游植物生長、吸引魚類覓食。由于其結構的復雜性，人工魚礁還能為魚類等提供相對安全的棲息環境和索餌繁殖場所，有利于幼魚和繁殖期魚類的棲息。在投放一定時間后，人工魚礁附近會形成穩定的生態環境，有利于漁場的修復(王波等, 2004; 潘迎捷, 2007; 張永波等, 2016; Lee, 2018)。人工魚礁的形狀多種多樣，有方形、三角形、圓臺形、米字型、金字塔型等(鄭延璇等, 2014; 趙林等, 2018; 黃遠東等, 2012a、2012b; 蘭孝政等, 2016)。人工魚礁投放方式有單體布設和多體布設等。對于如何更有效地投放人工魚礁，也是現今建設海洋牧場需要優化的問題(Lan, 2006)。

計算流體動力學(CFD)是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動等相關物理現象的系統進行分析。通過此種數值模擬技術，可以得到所研究流場內各個位置上的基本物理量。

目前，已有崔勇等(2011)采用數值模擬方法研究了布設間距對無孔實心方型人工魚礁周圍流場的影響；鄧濟通等(2013)研究了布設間距對無孔三棱柱形人工魚礁周圍流場的影響；于定勇等(2019)研究了不同開口比的方形魚礁的水動力特性；黃遠東等(2012b)研究了多孔方型人工魚礁周圍流態效應，尚未涉及布設間距對多孔方型人工魚礁流場效應的影響。

為了進一步探究布設間距對多孔方型人工魚礁流場效應的影響，本研究基于FLUENT軟件的數值模擬技術，模擬4種布設間距下2個魚礁單體周圍流態，研究結果將對魚礁的優化布置具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 礁體模型和計算區域

在進行數值模擬前，需先進行礁體模型的設計和計算網格的劃分。由于方型魚礁制作方便，透水性好，適合中下層魚類產卵和避敵，是一種在混凝土礁體中普遍被采用的礁體類型(王磊, 2007)，并已經在我國沿海海域(如江蘇呂泗漁場)進行了投放。于定勇等(2019)研究發現，方型開孔礁體具有抗滑移、抗傾覆安全系數能滿足工程的要求。Wang等(2018)研究發現，方型魚礁單側開口數量為4或9個，開口比為0.2或0.3時，產生上升流和背渦流的效果最明顯。因此，本研究礁體采用邊長為3 m，壁厚為0.1 m的空心多孔方型人工魚礁。礁體的每個側面都開有4個直徑為0.8 m的圓孔，頂蓋中央開有1個直徑為0.8 m的圓孔(圖1)。

為適應山東省人工魚礁建設技術規范(DB37T2090-2012)，并能正確反映人工魚礁周圍流場的顯示效果(Miao, 2007; 鄭延璇等, 2012)，本研究將整個計算域尺寸的長度設為單個礁體的20倍長度，寬度設為單個礁體的10倍長度，高度設為單個礁體的10倍長度，即60 m×30 m×30 m(圖2)。其中,第1個圓孔方型礁的礁前計算域長度為6倍單體礁長度(18 m)，2個單體礁橫向布設，布設間距分別為0.5、1、1.5、2倍魚礁長度，礁體底部貼緊計算域，計算域側面距2個魚礁單體中心均為15 m。

1.2 控制方程及湍流模型

由于流動分離和旋渦發展演化，使得人工魚礁附近的流動為黏性不可壓縮流體的湍流運動。因此，其控制方程采用定常、不可壓縮流動下的連續性方程和N-S方程，而模型則選取可以有效模擬分布比較均勻、湍流結構較小的湍流模型中的RNG k-epsilon模型(黃遠東等, 2012a; 姜少杰等, 2017)。

1.3 計算區域的網格劃分

在計算區域的網格劃分上，采用ANSYS Workbench Meshing的自適應網格劃分方式，劃分成四面體非結構化網格。礁體附近區域自動加密，使得在數值模擬時能捕捉礁體的幾何細節；在其他區域使用較大網格劃分，可節約計算成本。本研究采用的網格尺度經過Fluent軟件中的網格獨立性驗證，結果表明，對于魚礁附近的流場分辨效果良好。整個計算區域的網格單元數為1866200，計算區域網格劃分見圖3。

1.4 邊界條件的設置

計算區域入口設為速度入口條件，在投放人工魚礁的海域流速以不超過1 m/s為宜(劉心媚等, 2019)，并參考浙江舟山群島海域在漲落潮時，底層海水平均流速為0.8 m/s的數據(壽瑋瑋, 2009)。本研究選取0.8 m/s的來流速度進行模擬仿真；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(黃遠東等, 2012a、2012b; Liu, 2013)。

圖3 網格劃分

1.5 數值算法

本研究涉及的數值模擬計算在Ansys Fluent 17.0 平臺上完成。壓力與速度耦合采用Simplec算法，方程離散采用Quick格式，計算迭代步數為2000步，計算精度殘差值取10–6(姜少杰等, 2017; 邵萬駿等, 2014)。

1.6 數學模型的驗證

為驗證Fluent軟件模擬人工魚礁流場效應的可行性，需要對比在不同測點用水槽實驗和數值模擬 2種方式得到的速度。唐衍力(2013)在水槽中測量了來流速度為0.5 m/s時，多孔方型魚礁各測點的流速。礁體邊長為15 cm，側面分別開4個直徑為0.4 cm的圓孔，頂面開一個直徑為0.4 cm的圓孔。本研究利用唐衍力(2013)的模型，在魚礁一半高度的水平斷面和與水槽垂直的C2斷面的交線上，選擇了A3、A4、A5、A6、A3’、A4’、A5’共7個測點(圖4)。利用水槽實驗和數值模擬2種方法測出各測點的流速，得到了2種方法的結果對比見圖5。從圖5中的誤差來看，本研究所選模型能夠利用Fluent軟件進行數值模擬得到較準確的流態分布。

圖4 測點分布

圖5 測量點流速的實驗值與模擬值的比較

2 結果與討論

2.1 多孔方型魚礁單體周圍流態變化的基本情況

唐衍力等(2017)研究表明，6個代表礁體(方型、框架型等)的上升流面積和背渦流面積的大小與來流速度不相關；礁體的上升流高度與來流速度也不相關。黃遠東等(2012a)研究發現，不同來流速度工況下，方型魚礁上升流的最大速度與來流速度的比均約為定值，上升流的最大高度與礁體高度的比均約為定值。本研究還參考了其他學者對其他礁體的研究均發現，改變來流速度對相關數據影響不大，故本研究為了減輕計算成本，只選取恒定來流速度進行研究。為分析魚礁周圍流場的分布情況，選擇來流速度為0.8 m/s，魚礁布設間距為6 m的魚礁周圍流場進行分析。流場中=0平面上的速度分布云圖見圖6。從圖6可以看出，當水流經過魚礁時，流速變緩且越靠近魚礁前壁面流速越小，并在魚礁的前方形成一片流速幾乎為0的滯留區；在魚礁上方一定區域內形成上升流，上升流會改變原來水流的運動狀態和流速。在上升流區域，水流最大速度為1.1 m/s；在魚礁后方的背流面產生了背渦流，背渦流影響區域可達2倍魚礁邊長。背渦流流速明顯小于來流速度，存在部分流速為0的區域。

流場中=3 m平面上的速度分布云圖見圖7。從圖7可以看出，2個魚礁兩側均有側向流存在，第1個魚礁的側向流區域速度大于第2個魚礁。

圖6 Y=0平面上的速度分布(m/s)

2.2 多孔方型魚礁在不同布設間距下所產生的上升流情況

本研究取方向上速度分量與來流速度之比≥5%的水域為上升流區域(黃遠東等, 2012b)，為分析不同布設間距下魚礁所產生的上升流的情況，選取4種不同的布設間距進行CFD仿真，分別為 0.5、1、1.5和2倍魚礁長度，得到1.5、3.0、4.5和6.0 m的4種布設間距下流場在=0平面上的方向速度分量分布見圖8。圖8上刻度可以對上升流最大抬升高度進行比較。從仿真結果可以得出，不同布設間距下，上升流的最大流速、最大抬升高度以及分別與來流速度、魚礁高度的關系見表1。

表1 不同布設間距下的上升流速度和抬升高度

Tab.1 Upwelling velocity and elevation under different layout spaces

由魚礁的影響所產生的上升流速和抬升高度代表魚礁水動力特性的豐富性(吳偉等, 2016)，即流速越大，抬升高度越高，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。

從圖8和表1可以看出，不同布設間距下，多孔方型人工魚礁上升流的最大速度與來流速度的比值約為0.95倍，布設間距分別為4.5、6.0 m時，最大上升流速度和上升流范圍比布設間距為1.5、3.0 m時有增大的趨勢。因此，在一定程度上，擴大多孔方型魚礁的排布間距有利于形成更豐富的上升流。

上升流最大抬升高度與魚礁高度之比為2.1，且最大抬升高度點均出現在第1個魚礁上方，說明上升流最大抬升高度與魚礁布設間距之間無關聯。另外，圖8中各個魚礁的頂部開孔處中心區域的上升流效應明顯強于頂部的其他區域。由此可見，人工魚礁上方開孔有助于增強上升流效應。

2.3 多孔方型魚礁在不同布設間距下所產生的旋渦情況

4種布設間距下流場在=0平面上的速度矢量分布見圖9。從圖9可以看出，在來流速度為0.8 m/s時，布設間距分別為1.5、3.0、4.5 m的2個魚礁之間都形成了1個順時針渦旋，形成的渦旋大小隨布設間距的增大而增大。產生的渦旋靠左，旋渦中心在方向2.5 m左右。其中，布設間距為4.5 m時，順時針旋渦上方隱約出現第2個逆時針旋渦；而當布設間距為6.0 m時，順時針旋渦上方的逆時針旋渦變得明顯，且原來的順時針旋渦被擠到較下方位置，并且旋渦開始變小。可以推測，魚礁布設間距會對第1個魚礁后的渦旋產生影響。布設間距越大，渦旋越大，但布設間距增大到一定程度后，會生成第2個反方向的旋渦。

從圖9可以看出，4個圖中第2個魚礁的背部都產生了2個大小相近、垂直排布的旋渦，其中，上方的旋渦為逆時針，下方的旋渦為順時針。由此可見，不同布設間距不會對第2個人工魚礁的旋渦造成影響。

通過對比不同布設間距2個人工魚礁背部的旋渦數量和旋渦方向，若繼續增大排布間距，第1個魚礁背部可能會產生像第2個魚礁背部的旋渦。

2.4 多孔方型魚礁在不同布設間距的渦量情況

4種布設間距下，流場在=0平面上的渦量云圖見圖10。從圖10可以看出，在來流速度為0.8 m/s時，隨著布設間距的增大，魚礁附近的渦量也隨之增大，布設間距分別為1.5、3.0、4.5 m時，魚礁渦量明顯逐漸增大，且渦量分布范圍逐漸增大；當布設間距為6 m時，渦量大小和分布范圍開始變小。另外，從圖10還可以看出，渦量的最高值都出現在魚礁的頂部開孔處。由此可以推測，魚礁布設間距會對渦量大小和渦量分布范圍渦旋產生影響。在一定范圍內，布設間距越大，渦量越大，分布范圍越廣。但超過一定范圍后，渦量不再增大，分布范圍也不再擴大。

2.5 多孔方型魚礁在不同布設間距的內部流態和背渦流情況

為了研究空心多孔方型人工魚礁的內部流態情況和背渦流情況，故選擇人工魚礁的橫切面進行后處理(Liu, 2013)。4種布設間距下，=1.5 m平面上的速度矢量分布見圖11。從圖11可以看出，在4種布設間距下，盡管前后2個魚礁內部流態各異，但都存在一定共性：第1個魚礁內部速度大小總體上大于第2個魚礁內部的速度；前后2個魚礁內部均產生了2個軸向排布、大小相近的旋渦，其中，上方的旋渦均為順時針，下方的旋渦均為逆時針。上下2個旋渦的速度分布也相似；魚礁內部的4個角落處存在大量速度較小的緩流區。

對比魚礁內部與魚礁周圍側向繞流流速發現，魚礁內部大部分區域流速小于魚礁周圍側向繞流流速，在魚礁內部的4個角落，存在速度為0的死水區。在不同布設間距下，前后2個魚礁背流面均產生了背渦流，第2個魚礁后的背渦流差異較小，而第1個魚礁后的背渦流隨布設間距的增大有較大變化。當布設間距為1.5 m時，第1個魚礁后出現2個旋轉方向相反的旋渦，旋渦大小約為1.00 m×0.75 m；而當布設間距分別為3.0、4.5、6.0 m時，旋渦大小均增大到2.50 m× 1.25 m。另外，當布設間距分別為4.5、6.0 m時，第1個魚礁后的背渦流中有較多流集聚到第2個魚礁的迎流面；而布設間距為1.5或3.0 m時，這種情況較少。從圖9和圖11中2個不同平面上的背渦流影響范圍可以看出，在4種布設間距下，布設間距越大，背渦流在方向和方向的面積越大，這與崔勇等(2011) 的研究結果相一致。而在方向上，背渦流高度約為礁體高度的1.2倍，這與黃遠東等(2012b)的研究結果相近。因此，將布設間距繼續擴大到2倍魚礁寬度以上，對本研究工作的開展具有重要意義。

圖9 4種布設間距下Y=0平面上的速度矢量分布(m/s)

圖10 4種布設間距下Y=0平面上的渦量分布(S–1)

圖11 4種布設間距下Z=1.5m平面上的速度矢量分布(m/s)

3 結論

基于Fluent軟件的數值模擬技術，本研究仿真了在一定的流速下，4種不同布設間距的多孔方型人工魚礁的周圍流場運動規律，并從數值模擬結果中對比分析了4種布設間距對礁體周圍的上升流、礁體內部、2個魚礁單體之間的旋渦大小和數量，以及礁體周圍渦量的影響。結果顯示，多孔方型人工魚礁內部和周圍流態較為復雜，但可以根據流速和流向明顯分辨出緩流區、背渦區、上升流區、死水區等有顯著特征的區域，說明數值模擬技術是優化人工魚礁設計和部署的可行工具。多孔方型人工魚礁上升流的最大速度與來流速度的比值約為0.95倍；多孔方型人工魚礁周圍上升流最大抬升高度與魚礁高度之比約為2.1；多孔方型人工魚礁的結構在一定程度上為魚礁周圍的流態多樣性提供了較有利的作用。多孔方型人工魚礁的布設間距對2個魚礁單體間的旋渦數量和旋渦方向有較大影響，也對渦量大小和渦量分布范圍產生影響。在一定范圍內，布設間距越大，渦量越大，渦量分布范圍越廣；但超過一定范圍后，渦量不再增大，渦量分布范圍也不再擴大。多孔方型人工魚礁的布設間距越大；背渦流在方向和方向的影響面積越大；而在方向中，背渦流面積不隨間距變化而顯著變化，背渦流高度約為礁體高度的1.2倍。

本研究結果為人工魚礁的集魚原理和海洋牧場建設中考慮人工魚礁的布設方式的科研工作者提供初步參考。本研究暫未進行整個單位魚礁或魚礁群的研究，只研究了水流方向的2個魚礁單體布設間距的影響，故存在一定局限性，還需對其他布設形式進行數值模擬分析。另外，數值模擬技術并不能完全模擬各地投礁海域的復雜海況，所以，實際海域中，在人工魚礁投放前還需通過水槽實驗和實地調查(鄭延璇等, 2012; 姜少杰等, 2017; 李嬌等, 2013、2018; Lee, 2018; Komyakova, 2019; Jiang, 2016)等研究方法來驗證數值模擬結果的準確性。

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Numerical Simulation Study on Influence of Disposal Space on Effects of Flow Field Around Porous Square Artificial Reefs

WANG Jiahao, LIU Lili①, CAI Xinchen, CHEN Jiaying, YANG Yixin, JIANG Shuxia

(School of Fisheries, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316004)

In this study, computational fluid dynamics (CFD) technology was used to study the flow patterns around porous square artificial reefs with different disposal spaces. The aim was to increase our knowledge base of the fish harvesting principles of artificial reefs and the deployment and layout of the artificial reefs in the construction of marine pastures.Four kinds of disposal spaces were used in the study; they were 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 times the height of the reef. Based on the computer numerical simulation technology, the process of water flowing past the two reefs at a speed of 0.8 m/s was simulated, and the flow around the reef was observed.The results show that there were obvious characteristics of slow flow areas, back eddy current areas, upwelling areas, and dead water areas inside and around the porous square artificial reef. The ratio of the maximum upwelling velocity to the inflow velocity of the porous square artificial reef was about 0.95 times. The ratio of the maximum upwelling height to the reef height around the porous square artificial reef is about 2∶1. To some extent, the structure of the artificial reef provides a favorable role for the diversity of flow patterns around the reef. The spacing of the porous square artificial reef has a great influence on the number, size, distribution, and direction of vortices between the two reefs. Within a certain range, the larger the spacing, the larger the vorticity and the wider the distribution range. Beyond a certain range, the vorticity does not increase and the distribution range does not expand.The larger the spacing of the porous square artificial reefs, the larger the influence area of the back eddy current in theanddirections is.The results clearly show the flow field effects of artificial reefs with different disposal spaces, which is of great significance to the deployment and layout of artificial reefs under specific conditions.

CFD; Porous square artificial reef; Disposal space; Upwelling; Back eddy current

LIU Lili, E-mail: liulili2001@163.com

* 國家自然科學基金青年科學基金項目(41606110)和浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃項目(2018R411002)共同資助[This work was supported by National Natural Science Foundation of China Youth Science Foundation Project of China (41606110), and Science and Technology Innovation Program for College Students and New Talent Scheme in Zhejiang Province (2018R411002)]. 王佳浩，E-mail: wangjiahao2019@126.com

劉莉莉，E-mail: liulili2001@163.com

2019-03-14,

2019-05-13

S953.1

A

2095-9869(2020)03-040-09

10.19663/j.issn2095-9869.20190314004

http://www.yykxjz.cn/

王佳浩, 劉莉莉, 蔡新晨, 陳佳瀅, 楊意馨, 姜書俠. 布設間距對多孔方型人工魚礁流場效應影響的數值模擬研究. 漁業科學進展, 2020, 41(3): 40–48 Wang JH, Liu LL, Cai XC, Chen JY, Yang YX, Jiang SX. Numerical simulation study on influence of disposal space on effects of flow field around porous square artificial reefs. Progress in Fishery Sciences, 2020, 41(3): 40–48

(編輯 陳 嚴)