中国常用人工鱼礁流场效应的比较分析

人工鱼礁是建设现代化海洋牧场的基础设施,为了研究在不同海域流速下,迎流角度对人工鱼礁的影响,实验基于Ansys-Fluent平台,采用RNG $ k - \\varepsilon $的湍流模型,进行数值水槽模拟,对结构边长为3 m的立方对角面开孔鱼礁在3种来流速度 (0.5、1.0和1.5 m/s)、4种迎流角度 (0°、15°、30°和45°)下的上升流体积、背涡流体积、阻力、倾覆力矩等水动力特性进行比较分析。结果显示,人工鱼礁内部和周围存在具有显著特征的上升流区域和背涡流区域;流场规模的大小基本不受来流速度的影响;流速是影响立方对角面开孔人工稳定性的主要因素,流速越大,作用在礁体上的阻力和倾覆力矩相应变大,礁体的稳定性越差;迎流角度是影响人工鱼礁流场效应的主要因素,鱼礁的流场效应规模在迎流角度为30°~45°时达到最优,礁体为45°迎流时上升流体积和背涡流体积都达到最大值。利用权重赋值法,引入人工鱼礁建设效果综合评价模型,通过综合评价分析,在不考虑海底底质淤积、风浪等条件下,投放人工鱼礁时宜选取最大流速不超过1 m/s的海域,且迎流角在30°至45°范围内,鱼礁的建设效果最佳。

     

人工鱼礁结构设计原理与研究进展

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,上层为垂直侧板时有利于提升礁体的背涡流效应;不同的侧板组合会影响礁体对迎流角度的适应性。本研究结果可为鱼礁单体的优化设计以及大尺度海洋数值模型中阻力参数设定提供参考。

     

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...     

潮流作用下人工鱼礁山海域泥沙输运的数值模拟研究

为探究人工鱼礁投放后对海域底质的影响,实验基于海洋数值模型FVCOM (finite volume community ocean model)及其泥沙计算模块,对嵊泗马鞍列岛的人工鱼礁山的流场效应、悬沙和底床泥沙冲淤效果进行了数值模拟研究。数值模型中圆台型堆积人工鱼礁山设置为直径100 m、高度10 m,将人工鱼礁山部分简化为密闭空间并减去相应高度的水深,以体现潮流作用下鱼礁山周围的泥沙悬浮、底床冲淤效应。通过对大小潮期间涨急、落急时刻流场的分析,结果发现鱼礁山对流速的影响主要体现在鱼礁山附近,礁体上方及潮流主轴两侧的底层流速增加,背流面一侧流速大幅减弱。鱼礁山投放前后悬浮泥沙含量的差异与流场变化趋势比较接近,最大值不超过0.01 g/L。海床的泥沙冲淤结果在人工鱼礁山周围表现为沿涨、落潮主轴方向淤积,两侧冲刷,冲淤结果在±0.5 m左右,且水平影响范围在鱼礁山2倍直径,即约200 m以内,由人工鱼礁引起的泥沙输运过程是一个局部变化过程。研究表明,为避免局部过度冲刷,需对鱼礁山潮流椭圆短轴侧的附近海底使用特殊护底型礁体进行加固处理。潮流速度过大、且底质易严重冲淤的海域不适合建设人工鱼...     

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。     

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。     

水流作用下粉砂海床上人工鱼礁局部冲刷的模型试验与分析

海底条件的变化可能会加剧人工鱼礁的局部冲刷甚至产生掏空,导致人工鱼礁倾覆或掩埋,最终影响人工鱼礁的生态修复功能。为更好地了解人工鱼礁的冲刷特性,明确冲刷地形的形成机制,本研究首先采用物理模型试验的方法,对放置在粉砂底质上的人工鱼礁在不同水流条件下的局部冲刷问题进行了研究,并通过对原型流场进行数值模拟,讨论分析了水流及礁体结构特征对局部冲刷形态的影响机制。模型试验结果显示,0.11 m/s流速对试验选取的模型沙的影响不显著,礁体模型背面冲刷坑的深度仅为0.5 mm,两侧无明显冲刷坑,当流速增加到0.22和0.27 m/s时,沙床表面形成了均匀分布的沙鳞,背面冲刷坑深度分别达到1.0和1.5 mm,两侧冲刷坑的最大深度为4.5 mm,宽度分别为4.0和7.5 cm;流场数值模拟的分析结果显示,原型条件下流场、沙床剪切力和涡量的高值区和模型试验中冲刷强区存在对应关系,礁体的开孔和多柱支撑设计增大了局部冲刷强度。该研究表明,在粉砂底质条件下人工鱼礁的局部冲刷程度随流速的增加而增强,但总体冲刷不严重,未出现掏空或掩埋现象;礁体结构对局部冲刷有较大影响,因此,礁体设计与布局时应综合考虑流场效应、稳定性和冲刷形态等因素。     

发展海洋牧场构建“蓝色粮仓”

为了探明人工鱼礁对局地潮汐动力等因素的影响规律和机制,根据2016年7月东山海人工鱼礁区内外2个站位的25 h连续观测流速和水位数据,结合数值模拟方法,分析了广东惠州东山海人工鱼礁区建成后对礁区及周边海域潮汐动力等造成的影响。基于数值模拟,对建礁前后模拟结果对比分析获得了潮汐潮流等因子的变化情况。结果显示,模型模拟结果与实测值吻合良好;人工鱼礁区建成后对研究区域的潮汐调和常数和潮汐特性几乎没有影响;人工鱼礁区的部分分潮潮流椭圆会改变方向和转向,礁区外则几乎没有影响;建礁后礁区内部余流方向改变不大,礁区整体余流呈减小趋势;礁区附近水平流场改变明显,但对礁区外部影响范围有限,礁区迎流面有明显上升流,大潮涨急时刻底层上升流最大可达1.2 cm·s^–1,礁区后部则出现下降流。     

广东惠州东山海人工鱼礁对附近海域潮汐动力影响研究

为了探明人工鱼礁对局地潮汐动力等因素的影响规律和机制,根据2016年7月东山海人工鱼礁区内外2个站位的25 h连续观测流速和水位数据,结合数值模拟方法,分析了广东惠州东山海人工鱼礁区建成后对礁区及周边海域潮汐动力等造成的影响。基于数值模拟,对建礁前后模拟结果对比分析获得了潮汐潮流等因子的变化情况。结果显示,模型模拟结果与实测值吻合良好;人工鱼礁区建成后对研究区域的潮汐调和常数和潮汐特性几乎没有影响;人工鱼礁区的部分分潮潮流椭圆会改变方向和转向,礁区外则几乎没有影响;建礁后礁区内部余流方向改变不大,礁区整体余流呈减小趋势;礁区附近水平流场改变明显,但对礁区外部影响范围有限,礁区迎流面有明显上升流,大潮涨急时刻底层上升流最大可达1.2 cm·s~(–1),礁区后部则出现下降流。     

人工鱼礁的起源和历史

人工鱼礁与海底间的最大静摩擦系数是人工鱼礁安全校核所需的重要参数,对其影响因素的分析可作为人工鱼礁设计优化的科学依据。该研究共设计了6种底面开口比不同的人工鱼礁模型,对5种载荷和5种底质粒径条件下礁体模型的最大静摩擦系数进行了150组平面拉动试验,分析了最大静摩擦系数随底质泥沙粒径、底质含水率、加载质量、礁体底面开口比及开口位置的变化规律。研究结果表明：1)含水率为饱和条件下,底质为砾石和砂质时最大静摩擦系数随底质粒径的减小而增大,底质为粉砂黏土时最大静摩擦系数则明显变小;2)底质为粉砂黏土时最大静摩擦系数随含水率的增加先增大后减小,含水率为35%时最大静摩擦系数达到最大值;3)各底质条件下最大静摩擦系数均随加载质量的增加而减小,随礁体底面开口比的增大而增大,且与底面开口位置无关。     

波浪作用下箱网式浮鱼礁水动力特性研究

人工鱼礁可分为沉鱼礁和浮鱼礁,人工鱼礁投放是海洋牧场建设的重要工程基础。浮鱼礁主要用于诱集和保护中上层鱼类,投放受底质条件限制较小,尤其在淤泥底质的海域具有良好的适应性。浮鱼礁主体结构处于中上层位置,受波浪等动力环境影响较大,鱼礁的结构安全性和稳定性是设计和投放中需要重点关注的问题。本研究集合鱼礁集鱼、护鱼和养殖的功能,提出了一种多功能箱网式浮鱼礁结构设计,并建立了水动力数值模型,分析探讨了波高和入水深度对两种锚定形式(单锚绳和多锚绳)的浮鱼礁安全性和稳定性的影响。研究结果表明,相同条件下,单根锚绳固定形式下的锚绳受力总体约为四根锚绳固定时的锚绳受力总和,但网衣网线受力较四根锚绳固定时小。波高对单根锚绳固定的浮鱼礁最大偏转角度影响较大,但四根锚绳固定时,可以显著地降低浮鱼礁最大偏转角度,有效地提高浮鱼礁的稳定性,而且波高越大,效果越明显。波高不变的情况下,随着入水深度的增加,浮鱼礁水平最大偏移迅速减小。当浮鱼礁入水深度为波高的2倍以上时,两种固定方式下的浮鱼礁运动差别可以忽略。     

国外人工鱼礁研究动向及对我国的启示

为提高人工鱼礁建设选址和礁体设计的科学性,基于试验水槽对2种人工鱼礁在粉砂黏土上的局部冲淤情况进行了物理模型试验,通过地形测量和理论分析,研究了5组不同流速条件下2种人工鱼礁礁体结构的局部冲淤情况。结果表明,在粉砂黏土底质上,流速小于0.22 m·s⁻¹时,泥沙扰动小,2种礁体的周围局部冲刷小,冲淤形态以礁体底板附近浮沙堆积为主,且随速度增大而增高;流速大于0.22 m·s⁻¹时,洗掘现象较为明显,鱼礁周围冲刷坑范围及深度随流速的增大而增加,而礁体周围泥沙堆积高度随速度增大而减小。支撑结构较为复杂的A礁冲淤现象显著且复杂,冲刷坑深度最大值位于礁体中间底部,为−15 mm,且在礁后1倍礁高处出现长尾状泥沙堆积,其在0.27 m·s⁻¹流速时达到最大值5 mm;而B礁冲淤现象不显著,仅在底板附近出现少量堆积与冲刷坑,但由于底板开口比较大导致B礁发生沉降。因此今后的研究应结合建设选址海域的底质及水文特征对礁体支撑结构和底板进行优化设计并进行模型试验及数值模拟,以避免礁体冲淤严重引起沉降、掩埋等现象,从而影响鱼礁建设效果。

     

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。     

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。     

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。     

钢制四方台型人工鱼礁礁体设计及稳定性研究

针对台州大陈海域的波流状况、水深等设计了钢制四方台型礁体。礁体的基本尺寸为底座3.5m×3.5m×0.3m,顶面2.5m×2.5m,高3.5m,重7.19。t根据波流动力学理论对此礁体在实际投放海域所受到的最大作用力、抗漂移系数以及抗倾覆系数等进行了计算。结果表明,该钢制四方台型礁体在波流共同作用下的最大受力为32255N,作用力矩为48642 N.m,抗漂移系数和抗倾覆系数分别为1.44,2.23。与礁体受到的静摩擦力、重力矩相比,满足礁体稳定条件,即礁体在海底不会发生滑移或翻滚。