组合式金字塔型人工鱼礁水动力学分析

人工鱼礁是海洋牧场的重要组成部分,对于修复海洋生态环境、提高渔获量有重要价值。人工鱼礁的投放可以使得鱼礁周围流场发生变化,对于鱼类摄食、庇护都有重要的影响。本研究对人工鱼礁的水动力学特性进行研究,采用计算流体动力学软件Fluent和基于N-S方程对组合式金字塔型人工鱼礁的流场进行分析。比较了4种流速(0. 1、0. 2、0. 3和0. 4 m/s)下鱼礁流场的变化情况,得到了周围涡量和压力的分布特征,给出了该型人工鱼礁的三维紊流区,并同其他类型人工鱼礁进行了对比。结果显示:涡量主要分布于导流盘后方区域,且越远离导流盘的地方涡量越弱;不同来流速度下,上升流的最大高度约为鱼礁高度的1. 53倍,鱼礁涡量区高度约为鱼礁的高度,背涡区长度随着水流速度的增加而增加;不同流速下,紊流区的范围基本不变。     

以数值实验为基础的米字型鱼礁布设模式差异下的流场效率

人工鱼礁投放规模是鱼礁建设的核心问题之一,其中礁体数量与布设间距不仅表征了鱼礁规模的范围和密度,而且也决定着人工鱼礁流场效率。本研究采用数值实验方法,对典型结构边长为l的米字型人工鱼礁在4种投放量(2×2、3×3、4×4和5×5)、7种布设间距(0 l、0.5 l、1.0 l、1.5 l、2.0 l、3.0 l和4.0 l)下的流场相对体积、相对高度、相对长度等流场效率特性进行比较分析。结果显示,当上升流目标流速比分别为小于0.10、0.10～0.15和大于0.15倍时,上升流流场存在协同效应的最大布设间距分别为4.0 l、3.0 l、2.0 l,背涡流目标速度比下最大间距均为3.0 l;人工鱼礁投放量越多,上升流与背涡流相对体积越大,平均相对体积增长率越低,0.5 l布设间距的上升流相对体积与鱼礁单体相对流场体积最大,1.5 l布设间距的背涡流相对体积与鱼礁单体相对流场体积最大;上升流相对高度随投放量增加以1.01倍速率增加,随布设间距增加以0.90倍速率降低,背涡流相对长度随布设间距的增加先增后降,相对长度最大值位于1.0 l处。     

复合M型人工鱼礁粒子图像测速二维流场试验研究

为了获得复合M型人工鱼礁的流场效应,为鱼礁的结构设计提供理论依据,选取3个不同水流流速(6.7 cm/s、11.0 cm/s、18.0 cm/s),采用粒子图像测速(PIV)技术,对复合M型人工鱼礁的二维流场进行测试。结果表明:礁体迎流面和背流面分别产生上升流和背涡流,其规模随着来流速度的增加而增大;当鱼礁圆柱孔与流向夹角为90°时所产生的上升流高度为礁高的53%~90%,背涡流面积为迎流面积的0.7~1.3倍;夹角为0°时上升流高度为礁高的33%~83%,背涡流面积为迎流面积的40%~60%;90°工况下上升流平均流速是0°工况时的1.1~2.7倍,背涡流的最大回流速度为0°时的3.0~9.0倍。鱼礁投放时采用鱼礁圆柱孔与水流流向垂直的摆放形式流态较好。     

基于上升流效应的单位鱼礁建设模式研究

人工鱼礁上升流是流场区水体垂向交换、混合、循环的主要驱动因素之一,是人工鱼礁环境功能实现的基本环节。该研究通过数值实验方法获得4种投放量、7种布设间距共28种建设模式下米字型鱼礁上升流流场数据,提取并分析了代表流场作用能力的3个性能指标来评估上升流流场效应并准确定位上升流区,包括上升流,强度,范围及位置参数,进而为合理规划单位人工鱼礁建设模式提供参考。结果表明,4种投放量在0～1.5倍鱼礁单体边长(S_(la))的布设间距下相对体积效率最佳,布设间距为0～1.5 S_(la)、投放量为432空m~3时上升流平均相对速度最高;0与1.5 S_(la)布设间距下单位体积贡献率较高;1.0～3.0 S_(la)布设间距的上升流相对面积较高,对应相对面积高度基本相同,为0.5～1.0。进一步以不同海域上升流作用形式差异为出发点,指出确定上升流区的新思路,并提出以上升流流场最佳效应为前提的最优单位人工鱼礁建设模式选择方法。     

基于单位鱼礁规模的米字型人工鱼礁流场效应定量研究

流场效应是人工鱼礁发挥其生态效应的基础,流场效应强弱受单位鱼礁规模影响,同时是衡量人工鱼礁建设模式优劣与规划人工鱼礁建设模式的重要参考因素,流场体积是表征流场效应强弱的重要指标。本研究基于数值实验方法,分析米字型人工鱼礁在4种布设模式下28种单位鱼礁规模的流场体积变化规律,并建立上升流、背涡流流场体积与人工鱼礁建设规模指标的多元非线性模型。结果表明,单位鱼礁建设一级指标投放量(T_a)、布设间距(L_d)及目标速度比(R_u)与上升流体积分别呈线性、三次函数及幂函数关系,建立上升流体积回归模型为V_u=T_a×(0.002L_r~2-0.055L_r-2.429V_R×R_u+0.011R_u~(-1.833)+0.227L_d+0.437),回归拟合R~2为0.957,相对误差为18.61%。与背涡流体积分别呈幂函数、三次函数及指数函数关系;结合单位鱼礁建设二级指标相对边长(L_r)、容积率(V_R),背涡流体积回归模型为V_b=R_u×(-0.543L_r~2+2.388L_r)–51.779V_R~2+75.045V_R+1.449×10~(-4)T_a×e~(12.049 Ru)+1.620L_d×T_a,回归拟合R~2为0.938,相对误差为10.09%。该流场体积回归模型可用于规划指导均匀布设模式的人工鱼礁建设,为"减量增质提效"的人工鱼礁建设策略提供参考。     

人工鱼礁流场效应的模型实验

摘要：本文针对正方体、金字塔及三棱柱人工鱼礁模型,选取三个不同工况6m/s、9m/s和12m/s,通过风洞实验研究不同类型人工鱼礁单体和不同组合正方体模型的流场效应。结果表明,模型迎流面和背流面分别产生上升流和背涡流,其规模随来流速度的增大而增大;相同来流速度下,同种模型空心模型的上升流和背涡流规模较实心模型小,空心模型背涡流回流速度随模型空隙率增大而减小;不同模型z方向的湍流强度均大于x方向。对于组合模型,随着来流速度的增大,中心点流速均逐渐增大;一定来流速度下,当模型间距在1~1.5倍模型尺度时,流场变化最大;且模型平行组合比垂直组合产生的流场效应更大。     

基于流场数值仿真的人工鱼礁组合优化研究

基于特征礁水槽集鱼实验,研究了不同结构人工鱼礁和不同背景速度下黑鲷幼鱼在各流速区段出现频度,以鱼类出现频度高、水平流速为背景速度的0.7倍和0.8倍以下的流场空间体积作为背涡流范围指标,以垂向上升流速为水平来流速度的0.1倍和0.2倍以上的空间体积作为上升流范围指标,基于Fluent、采用大涡模拟法(LES)的湍流模型,进行数值水槽建模,以4种单位鱼礁组合方案为例来分析不同组合流场效应的差异和优劣。研究表明,边长3 m的正方体鱼礁,以20～30个单礁、1～2倍礁距进行五点式、对称型单位鱼礁组合投放为宜,这样既能发挥礁体的协同效应,又能使单位鱼礁的调控范围达到最大化。     

不同侧板结构对八棱柱型人工鱼礁流场效应的影响

为了解侧板结构对八棱柱型人工鱼礁流场效应的影响，实验基于计算流体力学方法(computational fluid dynamics, CFD)，利用大涡模拟(LES)对4种不同侧板结构的八棱柱型人工鱼礁周围流场变化进行数值模拟，并以上升流体积、背涡流体积和向上输运通量等为流场效应指标进行了分析，同时利用水槽实验对数值模型进行验证。结果显示，水槽实验流速与2种尺寸数值模拟流速的均方根误差最大不超过0.065。0°垂直迎流时，2种来流速度下，A型、C型和D型礁的上升流体积较B型礁最大分别高35.6%、244.1%和80.1%，背涡流体积较B型礁最大分别高193.5%、115.8%和88.8%。C型和D型礁的向上输运通量均大于A型礁，且C型礁最大向上输运通量是D型礁的1.29倍。不同迎流角度下，C型礁和D型礁的上升流体积和背涡流体积在4种角度下差异显著，且迎流面投影面积和上升流体积及背涡流体积之间相关系数较小。研究表明，实验所采用的数值模拟准确可靠；侧板数量增加对于提升八棱柱型人工鱼礁流场效应尤其是上升流效应作用明显；下层侧板固定时，上层为倾斜侧板有利于提升礁体的上升流效应，上层为垂直侧板时...     

人工鱼礁投放误差分布研究

人工鱼礁建设海域的鱼礁实际分布状态与设计方案的鱼礁配置组合之间往往存在着不同程度的偏离差异,而如何从单位鱼礁和鱼礁群层面上评估鱼礁投放误差,是评价人工鱼礁投放质量乃至建设效果的基本前提。本实验选择港湾、岛礁、开阔等典型海域的人工鱼礁区,以重心位置、外围面积、重叠面积、单体数量以及平均间距为指标,在单位鱼礁的层面上,对实际投放的人工鱼礁进行误差计算与分析。结果显示,各指标的误差整体上基本服从正态分布,某个鱼礁区指标的误差可能服从多种合理的拟合分布,不同投礁海域的同一个误差指标具有类似的分布规律,不同的误差指标拟合分布的情况也有可能相同。重心位置误差、重叠面积误差以及单体数量误差在不同区域极限误差相同,其标准化误差分布范围分别为[0,1]、[0,1]、[0,0.451],而其他误差要素在不同区域得到的极限误差略有差异,总体上,外围面积误差分布在[0,1]之间,礁体间距误差和总体误差的分布范围分别为[0,1],[0,0.890]。通过对人工鱼礁投放误差规律及误差范围的分析,才能对投放误差进行等级划分,进一步为鱼礁投放评价标准的划分提供依据。     

方型对角中连式礁体与方型对角板隔式礁体的稳定性

根据深圳杨梅坑人工鱼礁区海域的波流、水深等状况,对方型角板中连式礁体和方型对角板隔式礁体进行了不同海流速度下的受力、抗翻滚系数及抗滑移系数的计算.计算结果表明,2种方型礁体所受到的水流作用力随着水流速度的增加而增大,方型对角中连式礁体发生滑移的临界受力为25 123 N,发生翻滚的临界力矩为91 356 N·m;方型对角板隔式礁体发生滑移的临界受力为46 801 N,发生翻滚的临界力矩为170 186 N·m.研究结果显示,2种礁体的抗滑移、抗翻滚性能均较好,不会因为波流状况的突变而导致滑移、翻滚,投放后能长期维持其功能稳定不变.     

塔型桁架人工鱼礁流场效应及稳定性

本研究利用物理模型试验和粒子图像测速技术,对塔型桁架人工鱼礁模型在6种换算流速0.031 m/s、0.063 m/s、0.095 m/s、0.126 m/s、0.158 m/s和0.190 m/s (实际流速0.2 m/s, 0.4 m/s, 0.6 m/s, 0.8 m/s, 1.0 m/s和1.2 m/s)下产生的流场效应与物理稳定性进行研究。结果表明,流速达到1.2m/s时,礁体不会发生漂移和倾覆,说明该礁型具有良好的稳定性。单体礁在45°和90°迎流方式下,最大上升流流速和上升流平均流速随来流速度增加而递增,90°摆放单体礁最大上升流流速为来流速度的15.6%～21.0%, 45°摆放单体礁最大上升流流速为来流速度的16.3%～23.5%;上升流面积和高度随来流速度的增大先增加后减小,均在来流速度为0.095 m/s时出现最大值;缓流区面积均随来流速度的增加而减小;在相同来流速度下, 45°迎流时礁体缓流区面积大于90°迎流;在45°和90°摆放方式下,缓流区长度与礁高比值均随来流速度的增加呈下降趋势,且下降趋势逐渐平缓;45°迎流时缓流区长度为礁体高度的13～24倍, 90°迎流时缓流区长度为礁体高度的11～22倍。塔型桁架人工鱼礁礁体前后没有涡流形成,但具有较好的缓流作用,在礁体后方形成了较大规模的缓流区。     

规模化透水性人工鱼礁阻流效应的数值模拟

为在大尺度海洋模型中合理体现透水性人工鱼礁组合，基于海洋数值模式FVCOM（finite volume community ocean model）模拟了大陈岛拟建人工鱼礁区的水动力情况，比较了阻滞力法、实心礁法和附加底摩擦法在投礁前后的垂向流速、礁顶平面流速、水体向上输运通量和背涡流体积的差异，并根据投礁前后的流速差异，应用经验公式预测了投礁一年后底床泥沙冲淤情况。数值模拟结果表明，礁体组合迎流面产生上升流，礁体背流面流速减小，涨急时刻所形成缓流区长度在礁体组合长度20倍以上，年底床淤积厚度约0.05 m。阻滞力法以减少来流的动态功率密度来模拟礁体对水流的阻滞作用，可有效合理地实现对透水性人工鱼礁流场效应的模拟，避免了实心礁法在透水性鱼礁模拟中过高估计流场效应的问题，也没有附加底摩擦法只适用于低矮礁体的缺陷。阻滞力法可根据透水性礁体的造型、迎流面积、组合个数、布放方式和所处水层而设置各向和各水层的阻流参数，不仅适用于置底型透水性鱼礁，也适用于浮鱼礁。阻滞力法的建立、完善和应用对于今后的人工鱼礁水动力学和生态动力学研究具有重要意义。     

人工鱼礁工程技术进展研究

人工鱼礁是实现海洋牧场建设、海域生态调控和海洋生境修复的主要手段之一。人工鱼礁的聚鱼效果主要取决于礁体建造材料、结构造型、流体力学特征及礁体布局等因素。总结了国内外人工鱼礁工程技术的发展历程,阐述了我国人工鱼礁发展存在的问题。通过查阅文献资料,总结了礁体造型和设计方面的研究进展,主要包括:现有人工鱼礁礁体材料的优、缺点,新型复合材料应用空间等;主要礁体构型及现有设计方法;采用流体力学模型试验和数值计算,开展礁体水动力学行为研究的进展;人工诱导流场和人工鱼礁布局主要方法。结合我国人工鱼礁现状,提出人工鱼礁设计与应用的发展趋势和重点研究方向,以期为我国人工鱼礁建造和升级提供参考。     

Artificial reef placement: a red snapper,Lutjanus campechanus,ecosystem and fuzzy rule‐based model

Abstract This study on reef placement involves two aspects: (1) the development of a bioenergetics model for red snapper, Lutjanus campechanus (Poey), in Gulf of Mexico waters off the coast of Alabama, where significant numbers of artificial reefs are thought to exist, and (2) a fuzzy rough set model by which parameters determined from the bioenergetics model can provide a decision tool for optimally spacing artificial reefs during deployment. The bioenergetics and consumption rates of L. campechanus by age class foraging on artificial reefs in the Gulf of Mexico off the coast of Alabama provided input into the fuzzy rule‐based model. After conducting multiple simulations, highest certainty in optimal reef spacing was achieved for reef distances between 0.50 and 0.95 km such that no more than two fit within a 1‐km² area. Results can inform fisheries managers about placement of artificial reefs to affect the health and survival of reef‐associated species.     

Numerical investigation into effects of seabed topography on flows in and around artificial reefs

ABSTRACT:   Deploying artificial reefs is a proven technique for increasing both the number of fish and the diversity of the marine ecosystem in a particular area of the sea body. Previous investigations in this field have generally focused on the influence of the reef block design on flow phenomena. By contrast, the effects of the seabed topography on the performance of the reef have received comparatively little attention. Accordingly, in the present study numerical simulations are performed to investigate the effect of different seabed topographies on the flow field structures created both in and around artificial reefs. The simulations focus specifically on the effects induced by concave and convex seabed features, i.e. mounds and trenches, respectively, characterized by various degrees of inclination. The simulations are performed using a finite volume numerical method, in which the seabed features are modeled using simple trapezoidal blocks. A total of 18 different reef block–seabed topography systems are considered. The simulation results provide a valuable reference for marine engineers and ecologists when formulating deployment strategies aimed at enhancing the performance of artificial reefs.     

Diplodus spp. assemblages on artificial reefs: importance for near shore fisheries

Abstract  Artificial reefs have been deployed along the southern coast of Portugal (Algarve) since 1990 to enhance artisanal fisheries. The objectives of this study were to: (1) describe the colonisation process; (2) assess the role of the artificial reefs in terms of juvenile recruitment and growth and as mating/spawning areas and (3) evaluate the potential of artificial reefs as near shore artisanal fishing grounds for three economically important fish species, Diplodus bellottii (Steindachner), Diplodus sargus (L.) and Diplodus vulgaris (Geoffroy Saint-Hilaire). The fish assemblages were monitored after the deployment of a large artificial reef (Faro/Ancão) in 2002. Colonisation rates for the three species were fast. Artificial reefs play a multiple role for Diplodus spp., acting as recruitment, growth and nursery areas for juveniles, and spawning/mating areas for adults, and can thus be considered essential fish habitat. Three months after deployment of the artificial reefs, exploitable biomass was 16, 29 and 8 kg per reef group, respectively, for D. bellotti , D. sargus and D. vulgaris . These results indicate that artificial reefs quickly become good fishing grounds, where suitable financial yields may be obtained by fisher. Moreover, the artificial reefs became new and alternative fishing grounds, allowing reduction of fishing effort over traditional rocky areas that are scarce along the Algarve coast. Management measures for artificial reefs, in terms of fishing strategies, are discussed.     

圆柱镂空型人工鱼礁波流水动力特性数值模拟

研究人工鱼礁在波流作用下的水动力特性,对于人工鱼礁的设计具有重要的意义。基于有限体积法,采用边界造波,利用自由表面捕捉法(VOF)捕捉自由水面,建立了可以分别模拟纯波、均匀流以及波流共同作用下人工鱼礁水动力特性的多功能三维数值波流水槽。基于该数值模型对不同波流工况作用下圆柱型镂空人工鱼礁水动力特性进行数值模拟,并与物理模型试验结果进行比较。结果显示,人工鱼礁数值模拟受力与模型试验结果吻合良好,人工鱼礁所受的波流力最大值随着波高、周期和水流流速的增大而增大;人工鱼礁处于波流场波峰正下方时,背涡流的面积随着水流流速的增大而增大,随着波高、周期增大而减小。对单独均匀流作用、单独波浪作用和波流联合作用下人工鱼礁的水动力特性对比研究表明,人工鱼礁所受的最大波流力比最大波浪力、水流力都大,波流联合作用下的流场效应最显著,在礁体的后部形成了较大规模的漩涡结构。