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。     

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礁山。     

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.     

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。     

海上养殖设施与人工鱼礁融合布局流场分析

为拓展人工鱼礁的聚群功能,实现网箱及筏架多层次养殖的现代海洋牧场新模式,在网箱附近构建一定形态的人工鱼礁群,采用CFD软件并进行二次开发,模拟往复潮流,对鱼礁区流场分析。结果显示:网箱附近放置部分鱼礁,在海底流速为1 m/s的情况下,礁区内布置的网箱(围栏)养殖区域内的流速为0. 60～0. 80 m/s;在礁区后方形成较大范围的涡流区,流速在0. 2～0. 67 m/s。根据大型网箱、围栏的投饲情况,分析了礁区内往复海流对养殖固形物携带能力。验证了人工鱼礁群、网箱及养殖筏架综合布局新模式的可行性。研究表明:人工鱼礁群落对内部放置的网箱具有一定的阻流作用,在鱼礁群落的后侧,适合贝类及藻类的筏架养殖。该研究为现代化海洋牧场生态环境构建提供了理论依据。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

浙江嵊泗人工鱼礁区渔业资源生态容纳量变动的研究

人工鱼礁是放置于海底以影响海洋生物资源的物理、生物或社会经济过程的人工设施。科学评价人工鱼礁对渔业资源生态容纳量的改善程度对揭示鱼礁的生态功能和指导鱼礁后续建设具有重要的理论与现实意义。人工鱼礁区鱼类和大型无脊椎动物可分为3种类型(I型、Ⅱ型和Ⅲ型),其中Ⅱ型鱼类和大型无脊椎动物身体不接触鱼礁,但在鱼礁周围游泳、在海底栖息。该生物学资料可通过拖网调查取样获得。根据2004年10月～2007年9月浙江嵊泗人工鱼礁海域渔业资源拖网调查数据,建立了模拟礁区渔业资源密度随时间变化趋势的Logistic模型,并据此求解了鱼礁海域资源数量容纳量模型。通过遗传算法求得了Logistic模型的参数。结果表明,人工鱼礁区Ⅱ型鱼类和大型无脊椎动物的原有生态容纳量约为6.00～8.03ind/km·kW,鱼礁投放所产生的新生态容纳量约为4.40～5.89ind/km·kW,容纳量随季节变化而呈周期性波动。     

人工鱼礁结构设计原理与研究进展

人工鱼礁的结构设计目前尚无明确的原理和依据。本文从流场效应、生物效应、遮蔽效应的角度阐述人工鱼礁结构设计的基本原理,举例说明了相关的依据和方法,总结分析了适合不同海域类型的人工鱼礁区建设模式及其未来发展,以期为人工鱼礁的结构设计和海洋牧场规划提供参考。     

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。     

渤海湾天津近海人工鱼礁实施效果初步研究

为了掌握人工鱼礁建设对海洋生物资源和海洋生态环境的作用效果,在汉沽示范区已投放人工鱼礁海域进行了跟踪监测与研究。研究结果表明:投放1年的礁体表面90%以上被生物覆盖,附着厚度10~15cm,附着生物以长牡蛎、密鳞牡蛎为主要优势种,单位面积附着量6.25kg/m2。实验数据显示附着的牡蛎及其它生物生长良好。从浮游生物、底栖生物、鱼卵、仔稚鱼密度分布以及礁体生物附着状况来看,人工鱼礁区良好的生态效应已初步显现。在礁区周围的海底出现了以礁体为中心的高生物量区向四周扩散的趋势。从生物多样性和总生物量的角度来看,汉沽示范区人工鱼礁对改造局部区域的海洋生态环境起到了良好作用。     

浅海海域海洋牧场人工鱼礁区地质调查方法综述

正目前,人工鱼礁建设的科学性合理性逐渐成为海洋牧场科学研究及生产工作中的重点研究内容。本研究根据海洋牧场人工鱼礁建设的发展现状,在海洋区域地质调查技术基础上,根据海洋牧场人工鱼礁区的技术需求,总结并探讨了海洋牧场人工鱼礁调查方法,提出一套适用于浅海海域人工鱼礁的地质调查方法,并对下一步研究提出方向。     

莱州湾芙蓉岛西侧人工鱼礁建设对周边海域潮流场和水交换的影响研究#br#

为探究人工鱼礁建设对周边海域潮流场和水交换产生的影响,基于Mike21HD潮流模型,对莱州湾芙蓉岛西侧人工鱼礁建设前后周边海域潮流场和水交换变化情况进行了数值模拟研究。结果表明,相较于鱼礁建设前,涨急时,从平面分布上,鱼礁区东西向流速呈增加趋势,南北向流速呈递减趋势;从垂向分布上,流速变化:底层>中层>表层,底层流速最大增加量8.6cm·s^-1、最大减小量4.3cm·s^-1,增加量大于1cm·s^-1的区域与鱼礁区最远距离为303m,减小量大于1cm·s^-1的区域距鱼礁区最远距离为574m。落急时,平面流速变化趋势与涨急时基本一致;垂向分布上,底层流速最大增加量7.9cm·s^-1,最大减小量3.6cm·s^-1,增加量大于1cm·s^-1的区域与鱼礁区最远距离为271m,减小量大于1cm·s^-1的区域与鱼礁区最远距离为333m。鱼礁建设后周边海域水交换率增加约0.1%。人工鱼礁投放后,只改变了礁区局部海域的水动力环境,对湾内其他海域没有影响。     

珊瑚移植与集鱼两用礁基的研究

概述了我国珊瑚移植礁基和人工鱼礁研究现状,分析了现有礁基功能单一的不足,进行了将珊瑚移植礁基与人工鱼礁相结合的可行性分析,提出了一种珊瑚移植与集鱼两用礁基的设计方案,利用Fluent中的大涡模拟进行了流场仿真计算,定义了相对缓流区体积作为评价指标,对该两用礁基进行了效果评估。结果表明,通过合理的设计,可以实现珊瑚移植与集鱼的结合,最终提高礁基的生态和经济效益并充分利用海洋空间。