镂空型人工鱼礁流场效应的数值模拟研究

应用CFD软件对中空结构梯形台鱼礁和方型鱼礁在非定常流作用下的三维流场进行了数值模拟,揭示了两类鱼礁形成的上升流、背涡流的规模和强度,分析了单体鱼礁和组合鱼礁的流场差异。数值模拟结果表明:梯形台鱼礁上升流区最大速度约为来流速度的0.58~0.67倍、上升流区平均速度约为来流速度的0.15~0.19倍、而上升流区的最大高度为礁体高度的2.12~2.49倍,背涡流区平均速度约为来流速度的0.35~0.36倍、背涡流区的最大宽度约为礁体宽度的1.40~1.61倍、组合鱼礁背涡流区的最大长度约为礁体高度的4.06~4.17倍;方型鱼礁上升流区最大速度约为来流速度的0.56~0.61倍、上升流区平均速度约为来流速度的0.15~0.17倍、而上升流区的最大高度为礁体高度的2.22~2.63倍,背涡流区平均速度约为来流速度的0.30~0.35倍、背涡流区的最大宽度约为礁体宽度的1.75~2.00倍、组合鱼礁背涡流区的最大长度约为礁体高度的3.90~4.06倍。从流场调控效果来看,在相同模拟工况下,选择方型鱼礁比梯形台鱼礁能够更好地发挥鱼礁的环境资源修复功能。     

沉降对多孔方型人工鱼礁流场效应影响的数值模拟

礁体沉降作为人工鱼礁投放后普遍产生的现象,对人工鱼礁周围流场会产生影响。为研究多孔方型人工鱼礁不同沉降情况下流场效应的变化,采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,利用Fluent软件模拟在固定来流流速为0.8 m/s时,5种不同沉降程度下单体鱼礁周围的流场情况。结果显示:与无沉降时(初始状态)相比,在沉降程度为20%时,上升流最大高度降低约1.0 m,最大上升流流速增大约0.015 m/s,侧向流速增大区域(大于来流速度)扩大至1.5倍左右,同时礁体背流面透水区域增大,背涡流区域沿水流方向移动约2 m,礁体周围流场情况一定程度上变得更加复杂;在沉降程度为40%时,上升流流速最大值与初始状态相比减少约为0.010 m/s,侧向流增大区域基本一致,此时礁体背流面透水区变化较大,有形成一个逆时针涡旋的趋势;当沉降程度达到60%时,礁体周围流场效应开始明显下降,上升流最大高度相较于初始状态降低约3.2 m,上升流最大流速降低约0.600 m/s,侧向流速增大区域与壁面间距缩短约0.4 m,背涡流区域有消失的迹象;在沉降程度达到80%时,礁体流场效应基本丧失。研究表明,对于多孔方型人工鱼礁,在沉降程度40%以内,人工鱼礁仍然能够发挥着较好的流场效应;礁体在沉降程度达到60%时,礁体周围流场复杂程度相较于初始状态有明显损失,之后随着沉降深度增加,礁体流场效应逐渐消失。     

双层十字翼型人工鱼礁流场效应的数值模拟

本文基于Ansys Fluent平台,采用湍流模型中的大涡模拟方法（large eddy simulation, LES）对双层十字翼型人工鱼礁四种子礁的流场效应进行了数值模拟,采用比混凝土体积法分析其背涡流体积、上升流体积、向上水体输运通量等流场效应数据,得到双层十字翼型鱼礁的最优礁体构造,以期为人工鱼礁的设计和选型提供科学依据。结果表明：双层十字翼型鱼礁加顶板对流场效应并无增益,上升流和背涡流相对体积变小;侧板结构对礁体的上升流和背涡流效应有明显的增益,上升流和背涡流相对体积逐渐变大,全侧板D型礁体的上升流和背涡流效应最强,上升流相对体积可达无侧板B型礁体的13.50~25.48倍,背涡流相对体积达1.40~1.61倍;向上水体输运通量约在一倍礁高处达到最大值,约在两倍礁高处降为最大值的1/2左右。迎流角度的改变,对D型礁体流场效应的影响无显著差异,表明本型礁体对自然海域的潮流流向有很好的适应性。     

立方体人工鱼礁背涡流的三维涡结构

以立方体人工鱼礁为例,应用CFD软件对其在定常流作用下的三维流场进行了数值模拟试验,以揭示立方体人工鱼礁背涡流的三维涡结构。结果表明:流过礁体侧面的水体在礁体后形成两个对称的旋转方向相反的展向涡,流经礁体上表面的水体脱落后形成一个尺寸与礁体尺寸相当的流向涡,展向涡宽度决定背涡流流场宽度,流向涡高度决定背涡流流场高度;展向涡和流向涡长度近似相等,二者的长度共同决定背涡流流场的长度;展向涡、流向涡共同构成了人工鱼礁背涡流的三维涡结构。     

铅直二维定常流中人工鱼礁流场效应的数值实验

以定常来流海域为例,利用数值实验方法,定量探讨了具有自由水面的海域中人工鱼礁单体对流场的影响。考虑嵊泗鱼礁投放区的流速、水深的调查结果,来流速度Uin、水深H分别取为0.7 m/s、20 m。在鱼礁为实心方体的情况下,在渔礁迎流面产生上升流背流面产生涡流;上升流域的规模、强度随着礁高增大而增大,而上升流面积的平均产量与边际产量随礁高先增后减,在礁高水深比r=0.1时上升流效应最佳;背涡流域的规模也随着礁高增大而增大,其面积的平均产量随礁高先增后减,在r=0.1时达到极值。     

铅直二维定常流中人工鱼礁流场效应的数值实验

以定常来流海域为例,利用数值实验方法,定量探讨了具有自由水面的海域中人工鱼礁单体对流场的影响。考虑嵊泗鱼礁投放区的流速、水深的调查结果,来流速度Uin、水深H分别取为0.7 m/s、20 m。在鱼礁为实心方体的情况下,在渔礁迎流面产生上升流背流面产生涡流;上升流域的规模、强度随着礁高增大而增大,而上升流面积的平均产量与边际产量随礁高先增后减,在礁高水深比r=0.1时上升流效应最佳;背涡流域的规模也随着礁高增大而增大,其面积的平均产量随礁高先增后减,在r=0.1时达到极值。     

方形人工鱼礁单体流场效应的PIV试验研究

采用粒子图像测速(PIV)二维流场测速技术和水槽模拟试验研究了人工鱼礁的流场效应,对单体开口比分别为0、0.04、0.16、0.25的人工鱼礁在来流流速分别为67、112、180 mm/s时产生的流场效应进行分析。结果表明:单体人工鱼礁流场效应中,开口比和来流流速均对流场效应产生影响,开口比越小,来流流速越大,流场中的上升流流速和背涡流面积就越大。研究表明,影响流场效应的主要因素是开口比,来流流速的影响程度次之。     

方形人工鱼礁单体流场效应的PIV试验研究

采用粒子图像测速（PIV）二维流场测速技术和水槽模拟试验研究了人工鱼礁的流场效应,对单体开口比分别为0、0.04、0.16、0.25的人工鱼礁在来流流速分别为67、112、180 mm/s时产生的流场效应进行分析.结果表明：单体人工鱼礁流场效应中,开口比和来流流速均对流场效应产生影响,开口比越小,来流流速越大,流场中的上升流流速和背涡流面积就越大.研究表明,影响流场效应的主要因素是开口比,来流流速的影响程度次之.     

开口比变化对人工鱼礁流场效应影响的评价

针对人工鱼礁周围复杂的流场效应进行的研究已经较为成熟,然而对于不同开口比的人工鱼礁对流场效应影响的系统评价并未提出。针对一组不同开口比的人工鱼礁进行数值模拟,提出关于人工鱼礁流场效应影响的评价体系,并对不同开口比的人工鱼礁的流场效应进行全面评价。评价结果认为开口单体人工鱼礁优于不开口的实心鱼礁,但开口不应过大,在单孔鱼礁情形下,开口比为0.04时流场效应最优。     

框架型与沉箱型人工鱼礁绕流特性的数值模拟

为对框架型(正六面柱形罩式边长为2 m、高4 m)和沉箱型(方形空心开口式3 m×3 m)人工鱼礁模型绕流特性进行分析,采用Computational Fluid Dynamics(CFD)方法研究了礁体周围的流线分布变化及上升流和背涡流的流态变化情况。结果表明:在礁体内部,框架型礁体的涡旋在底部出现,沉箱型礁体的涡旋在底部及中部出现,且沉箱型礁体涡旋范围大于框架型礁体;框架型背涡区压强空间分布较为均匀,而沉箱型外侧左右两端有0.5倍礁宽的压强变化,背涡区压强空间分布不均匀;沉箱型礁体在0.5～1.0倍高度上升流区域流速增大。研究表明,相同工况下综合比较框架型产生的流场效应更优,能更好地发挥鱼礁的集鱼效果。     

基于FLUENT管内封堵器周围流场的数值模拟

基于计算流体力学方法,建立了管内封堵器三维模型,对管内封堵器封堵过程中其周围流场进行数值模拟,得出管内封堵器封堵前后其周围流场中速度矢量、流体质点速度、湍动能的分布规律.对比封堵前后流场的模拟结果:管内封堵器的封堵进程变化影响流体质点速度和湍动能的分布;管内封堵器的机械结构会导致其局部位置和尾部流体产生漩涡,使管内流体流动紊乱,对封堵效果产生一定影响.研究结果对确保管内封堵作业安全和进行管内封堵器机械结构设计具有指导意义.(图8,参7)     

模型礁对幼鲍、幼海胆行为的影响

在水温为(18±0.5)℃、盐度为34.3、pH为8.3的养殖条件下,通过观测试验水槽内幼鲍Haliotis和幼海胆Hem icentrotus pulcherrimus在无模型礁和有模型礁状况下的行为反应,探讨了适合幼鲍、幼海胆栖息的模型礁的结构与形状,并统计分析了4种不同结构的PVC模型礁对幼鲍、幼海胆的聚集率。结果表明:模型礁对水槽内幼鲍、幼海胆的分布均有影响,对幼鲍和幼海胆均有聚集作用,Ⅰ型和Ⅳ型模型礁对幼鲍的聚集效果较好,最高聚集率可达60%和53%;Ⅰ型模型礁对幼海胆的聚集效果较好,最高聚集率可达53%。     

人工鱼礁模型对大泷六线鱼和许氏平鲉幼鱼个体的诱集效果

在水槽内观测了许氏平鲉Sebastes schlegeli与大泷六线鱼Hexagrammos otakii幼鱼对两种不同结构PVC材料模型礁的行为反应,并对模型礁的集鱼效果进行了统计分析.结果表明:水槽内无论有礁还是无礁,两种鱼均喜欢栖息在水槽两端的角落或侧壁,在水槽的Ⅰ区和Ⅱ区的平均出现率为20%左右;大泷六线鱼与许氏平鲉的对礁接近行动指数,在方形礁角形格底板试验B1组中分别为1.12和1.03,在十字礁角形格底板试验B2组中分别为1.16和1.05,大泷六线鱼高于许氏平鲉,两种鱼对十字礁的接近行动指数和平均出现率要略高于方形礁.     

3D欧拉法和层流模型对水轮机转轮内部流场的数值模拟

3D欧拉法和层流解法都具有控制方程个数少，计算简单、省时的特点，均能够快速地在最优工况点附近得到合理的数值解。可以用于转轮叶片的初步的水力计算和其他湍流模型计算结果的校核。分别应用这2种算法对一混流式水轮机转轮内部流体的三维流动进行了数值模拟，方程离散采用有限体积法，插值采用二阶迎风格式，压力-速度耦合采用SIMPLEC算法，计算了3个典型工况(最优工况、大流量工况和小流量工况)，得到了转轮内部合理的速度分布和压力分布。最优工况点的效率计算值比试验值高3．09个百分点，计算所需时间比标准κ-ε湍流模型少30％～40％。