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。     

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...     

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。     

布设间距对多孔方型人工鱼礁流场效应影响的数值模拟研究

采用计算流体动力学(CFD)技术,研究了不同布设间距下,多孔方型人工鱼礁周围水流运动的规律,旨在为深入研究人工鱼礁的集鱼原理和海洋牧场建设中人工鱼礁的投放和布设提供更多参考。本研究采用了4种布设间距,分别为0.5、1、1.5和2倍鱼礁高度,基于计算机数值模拟技术,模拟了速度为0.8m/s的水流流经2个礁体的过程,分别观察鱼礁周围水流运动情况。结果显示,多孔方型人工鱼礁内部和周围存在缓流区、背涡流区、上升流区、死水区等有显著特征的区域;多孔方型人工鱼礁上升流的最大速度与来流速度的比值约为0.95倍;多孔方型人工鱼礁周围上升流最大抬升高度与鱼礁高度之比约为2.1;多孔方型人工鱼礁的结构在一定程度上为鱼礁周围的流态多样性提供了较有利的作用;多孔方型人工鱼礁的布设间距对2个鱼礁单体间的旋涡数量和旋涡方向有较大影响,也对涡量大小和涡量分布范围产生影响。研究表明,在一定范围内,布设间距越大,涡量越大,分布范围越广,但超过一定范围后,涡量不再增大,分布范围也不再扩大;多孔方型人工鱼礁的布设间距越大,背涡流在X方向和Y方向的影响面积越大。研究结果清晰地展现了不同布设间距下的人工鱼礁的流场效应,对在特定条件下进行人工鱼礁投放和布设具有重要意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

人工鱼礁流场风洞实验与数值模拟对比验证

人工鱼礁增殖渔业资源的生态效益一定程度上取决于其产生的流场效应,因此流场效应的研究是人工鱼礁生态效益研究的关键.数值计算是研究人工鱼礁流场效应的新方法,但其可行性和准确度还没有得到广泛验证.本研究针对正方体、三棱柱及金字塔型人工鱼礁实体模型,根据流动相似性原理设定相对应的来流速度,分别利用风洞实验和数值模拟研究了人工鱼礁周围的流场,选择具有代表性测点的水平和垂直方向流速,无量纲化后进行对比.研究表明,两实验测点流速平均误差约8%,大多数测点的u*(x方向无量纲流速)差别甚微,且变化趋势基本相同,从而验证了数值计算模拟人工鱼礁流场的可行性和准确性.     

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。     

南麂列岛海域两种框型人工鱼礁水动力性能试验

为改良南麂列岛海域投放的人工鱼礁礁体存在的沉陷、位移现象,试验研究了人工鱼礁水动力性能,并进行对比验证。采用水槽试验方法,对两种框型人工鱼礁模型在5种水流速度(0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 m/s)和4种迎流角(0°、15°、30°、45°)条件下的阻力进行测定,并计算阻力系数。以水槽试验所测得的阻力系数,结合波流动力学理论计算两种实物礁体的水阻力、抗滑移系数和抗倾覆系数。结果显示,两种礁体的阻力均与流速呈幂函数关系,在流速v=0.35 m/s时的阻力差比值最低;两种礁体在相同流速下的阻力差比值均随冲角增大而减小;在不同流速下,两种礁体的阻力系数均在冲角θ=15°时差异最小,在θ=45°时差异最大;随着冲角和迎流速度的增加,礁体的抗滑移、抗倾覆系数逐渐减小,两种礁体在海水流速u≥5节、冲角θ≥30°时抗滑移系数<1,但抗倾覆系数始终>1.2。研究表明,改良后的框型鱼礁在稳定性方面有一定的优势。     

东海区中国毛虾张网网具的优化设计

通过对单锚毛虾张网和单锚桁杆毛虾张网模型试验,研究了该两种张网的流体阻力及扩张装置对网具的影响。结果表明：（1）毛虾张网网口上下或两侧采用悬链线式剪裁装配,与平面装配对比,在网具形状上前者优于后者。（2）单锚毛虾张网网口上下采用悬链线式剪裁装配,在拖速0.13～0.78m/s范围内,拖速逐渐增加时,水平扩张由15～30%递增,网口高度也随之增加;同一拖速下,采用悬链线式剪裁装配的网口高度均高于平面剪裁装配。单锚桁杆张网两侧采用悬链线式剪裁装配,其网口高度随拖速的增加而下降缓慢;在同一拖速下,与平面装配对比,悬链线式剪裁装配的网口高度增幅为-5.6%～43.4%。（3）同样主尺度、相同拖速、结构相似,而网口上下和两侧采用悬链线式剪裁装配,与平面装配比较,在拖速为0.13～0.78m/s增加过程中,流体阻力增加较为平缓;主尺度相近、相同拖速、网口两侧采用帆布装置扩张与桁杆扩张比较,在拖速为0.13～0.78m/s增加过程中,流体阻力增加幅度较大。（4）网口上下和两侧采用悬链线式剪裁装配的单锚张网模型和网口两侧采用悬链线式剪裁装配的单锚桁杆张网模型的迎流面积的结果表明：拖速为0.13m/s时,两者的迎流面积相差3.1%,而当拖速为0.78m/s时,前者是后者的3倍有余。     

高分子编结网片水动力特性水槽试验研究

高分子渔用材料在设施养殖和海洋渔业中的应用越来越广泛,对其水动力特性进行研究十分必要。试验采用不同网目系数和网线粗度的高分子编结试验网片进行水槽试验,倾角从0°变化到90°,设置水流速度从0.3 m/s开始,以0.1 m/s为梯度,逐渐增大至1.3 m/s。为减小尾流和湍流对试验结果的影响,使用流线型框架固定装配。经试验得到以下结果:(1)在网片与水流垂直时,阻力系数有随网目系数增大而增大的趋势,而在网片与水流平行时,阻力系数随网目系数增大而减小。(2)阻力系数有随雷诺数增大而逐渐减少的趋势,网片平面与流体运动方向速度垂直时,阻力系数在13001500后阻力系数变化不大。(3)阻力系数随着冲角的增大而增大并最终趋于稳定值。(4)升阻力系数比(K)在总体上有随倾角变大而先变大再变小的趋势,K的极值均出现在20°到30°内,最大K值约为0.41。(5)网片与水流垂直时,在1000相似文献   

水流对杂交鲟幼鱼游泳行为的影响

在26℃水温下,使用特制的鱼类游泳行为测定装置研究了杂交鲟(Huso duricusGeorgi♂×Acipenser schrenc-kiBrandt♀)幼鱼在0 m/s、0.1 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s 4种流速条件下的游泳行为。结果显示:杂交鲟幼鱼随着流速的增加趋流率增大,且在90min内趋流率达到100%所需的时间明显缩短。实过过程中0.3 m/s和0.5 m/s两组摆尾频率都高于0.1 m/s和静水组,但在各个时段内,摆尾频率与趋流率均没有显著的相关。杂交鲟幼鱼的游泳状态明显受到所处流速的影响:0.1 m/s流速下以逆流前进为主,约占时间比例56.3%;0.3 m/s流速下以逆流静止为主,约占时间比例58.1%;0.5 m/s流速下以逆流后退为主,约占时间比例80.7%。在逆流前进和逆流静止两种游泳状态下,杂交鲟幼鱼的游泳速度和摆尾频率呈线性相关。但在逆流后退和顺流而下两种状态下,两者之间却没有显著的相关,且此两种状态下其游泳速度和摆尾频率随流速增加的变化趋势也不一致。     

流速对鲫游泳行为和能量消耗影响的研究

通过自制的鱼类游泳试验装置,研究了流速对鲫（Carassius auratus）游泳行为和能量消耗的影响。结果表明,鲫的摆尾频率、摆尾幅度随游泳速度变化有明显的规律。随着游泳速度的增加,鲫的摆尾频率与幅度都相应地增加。流速小于3倍体长/s与大于3倍体长/s,摆尾频率差异性显著（P〈0.05）,而摆尾幅度差异性不明显。鲫单位时间耗氧率随着流速的增加而显著增加,并且随着速度的增加,鲫用于游泳所消耗的能量占总能量消耗逐渐趋于稳定,运动净耗氧率最大为90%。水温（16±1）℃时,体长12～20cm鲫的相对极限流速为其（3.85±1.10）倍体长/s,绝对极限流速为（0.66±0.10）m/s;相同流速的温度环境中,随着体重的增加,耗氧量呈增加趋势。在相同的流速下,水温（10±1）℃时的游泳耗氧量小于（16±1）℃,而净耗氧率较大;温度（16±1）℃时,2.5倍体长/s的游泳速度有利于鲫生长代谢的能量积累。     

Current forces on,and water flow through and around,floating fish farms

The wake generated by a screen or a net is analysed by the linear free-wake equations in conjunction with an eddy viscosity formulation. The behaviour of the near and far-field wake is investigated, and a relationship between the drag coefficient and the wake velocity is derived. A method for calculating the current forces experienced by the net structure and the resulting deformation is derived and compared with model tests. The effects of the wake behaviour and the deformation of the net cages, on the design and operation of floating fish farms are discussed and some recommendations are given.Nomenclature A Area of a net panel - dA Area of a portion of a net panel - A ^N Area of the net panel normal to the flow direction - A ^P Area of the net panel parallel to the flow direction - C_D,i Drag coefficient of thei ^th cylinder - C_D() Drag coefficient as function of the angle between the normal to the net and flow direction - C_L() Lift coefficient as function of the angle between the normal to the net and flow direction - D Diameter - D _i Diameter of thei ^th cylinder - DO Dissolved oxygen concentration - F _D Drag force - F _L Lift force - H Heaviside function - L Width of net panel - l _i Length of thei ^th cylinder - N Number of cylinders - N _i Number of cylinders in y-direction - N _j Number of cylinders in z-direction - N _N Number of cages in direction normal to the flow - N _C Number of cages in direction of the flow - r=u/U Velocity reduction factor - Rn=U*D/v Reynolds number - Sn Solidity ratio, defined as the ratio between the area covered by the threads and the total area of the net panel - t Time - U Current or free flow velocity - u ₁=U–u Velocity defect - u=U–u ₁ Wake velocity - x,y,z Cartesian coordinate system or field point for calculation of velocity - x _i ,y _i ,z _i Source point on screen element - Angle between the flow direction and the normal vector to the net, in the direction of the flow - Eddy viscosity - Mesh size - Kinematic viscosity - Density of water - Error function - Partial differential operator - Infinity