米字型人工鱼礁流场数值模拟与水槽实验的比较

采用LES(大涡模拟)紊流模式,对定常来流速度下按实际尺寸缩小10倍的米字型人工鱼礁单体附近流场进行三维数值模拟,同时利用相同尺寸的水槽实验验证该数值计算方法的可行性。在数值模拟与水槽实验中分别设置了0.2、0.4、0.6、0.8、1.0以及1.2 m/s 6种来流速度,并比较礁体附近三个方向上流速变化的情况。结果表明,数值模拟中约80%的测点速度与水槽实验结果吻合。而且,具有较大差异的值都发生在礁体上方开口中心位置附近的测点,该位置流场变化强烈且水槽实验测量有一定难度,易产生误差,因此对比结果差异较大是可允许的。综合比较结果,初步认为利用三维数值模拟计算方法模拟人工鱼礁的流场变化是可行的,今后可利用该数值计算方法替代复杂的水槽实验,甚至可以对实际投放礁体的原始规格以及所放置的海域进行等比例模拟,更清晰准确地对人工鱼礁周围流场变化进行详细研究。同时对不同结构的人工鱼礁和人工鱼礁群周围的流场进行系统分析,从而实现人工鱼礁的优化配置。     

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。     

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。

     

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。     

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。     

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。

     

六边形开口方形人工鱼礁阻力系数数值模拟与模型试验比较研究

为了对4种不同开口大小的六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度下数值模拟和水槽模型试验的阻力系数进行对比验证,分别利用水槽模型和数值模拟试验方法对4种不同开口比（γ_ty=0.0625,0.14,0.25,0.39）六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度（θ=0°,15°,30°,45°）状态下的阻力进行测定,并计算两种方法的阻力系数。结果表明：（1）在数值模拟和水槽模型试验中,人工鱼礁模型阻力均随着开口比的增大而减小;礁体迎流角度的变化可改变礁体阻力,且在4种迎流角度下,人工鱼礁阻力在θ=30°时最大。（2）人工鱼礁数值模拟与水槽模型试验中,当θ为15°、30°和45°时,阻力系数均随着开口比的增加而增加,具有明显的线性关系,且阻力系数在迎流角度θ=30°时最大。（3）数值模拟与模型试验阻力的相对误差在0.12%~17.18%,平均误差7.43%;礁体阻力系数的相对误差在0.03%~14.64%,平均误差5.26%。阻力及阻力系数误差均在20%以下。水槽模型试验与数值模拟阻力和阻力系数相关系数R分别为0.99和0.80,P<0.001,具有极强的相关性。因此,利用数值模拟精细化研究人工鱼礁水动力性能是可行的。     

基于结构差异性正方体鱼礁的流场效应研究

人工鱼礁结构差异是影响流场规模效应的主要因素之一,本研究选择大字型、米字型、回字型、交叉型、框架型和实体型6种鱼礁单体,分析均匀布设模式下礁体自身结构特征对流场效应的影响规律,进一步建立结构差异性单位鱼礁的规模效应模型.基于流场效应规律提出礁体结构特征指标分别为鱼礁空方体积比、透空率和迎流面相对截面积,进一步得到上升流...     

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。     

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。     

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。     

Numerical simulation of the flow field inside and around gravity cages

A three-dimensional (3D) numerical model is established to simulate the flow field inside and around the gravity cages in a current. The realizable k–ɛ turbulence model was chosen to describe the flow, and the governing equations are solved by using the finite volume method. In the numerical model the cylindrical cage is divided into 16 plane nets around the circumference and a bottom net, and the net is modeled using the porous media model. The unknown porous coefficients are determined from the hydrodynamic force on the net under different flow velocities and attack angles using the least squares method. In order to validate the numerical model, the numerical results of the plane nets were compared with the data obtained from two physical model tests. The comparisons show that the numerical results are in good agreement with the experimental data. Using the present model, this paper presents the flow field inside and around the gravity cages with different spacing distances and cage numbers. This study provides information about the flow field inside and around the fishing net cages.     

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.     

现场海域人工鱼礁分布状态聚类分析

人工鱼礁的流场营造、鱼类诱集等建设目标,一般是通过单位鱼礁、鱼礁群等不同规模的形式实现的;实际投放的成千上百个人工鱼礁处于何种分布状态、它们是否满足单位鱼礁等规模要求,是非常值得关注的课题。本文利用空间聚类分析,借助基于划分的算法、基于层次的算法和基于约束的算法对投放后的鱼礁进行划分、归类或剔除,并选择单位鱼礁的重心、影响面积、鱼礁单体数量以及礁体间距4个指标进行比较分析,探讨人工鱼礁实际的组合聚类模式。结果显示3种空间聚类算法误差的排列顺序为：约束算法<划分算法<层次算法。通过对比分析,在基于约束的聚类算法下,最能反映人工鱼礁的实际集聚情况。