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。     

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。     

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。     

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。     

等边三角型人工鱼礁礁体结构设计及其稳定性

在山东威海西港水产公司小石岛造礁工程投放的三角型礁的基础上,改良设计了等边三角型礁。礁体的尺寸为:等边三角型的边长2 m,宽3.3 m,重8.1 t。根据山东海区的波流状况,测量计算了礁体在8种波况和5种流速下所受到的最大作用力、抗漂移安全系数和抗翻滚安全系数。结果表明,该礁型在实际投放水深为15 m、波高为6 m时,可能失稳发生漂移,在其他波况下能较好地保持稳定;该礁型在投放水深15 m、流速达到1 m/s时,仍能保持稳定,无漂移和翻滚现象。此外,在计算的基础上,对礁体的稳定性进行了观察试验,观察结论与计算结果基本相符。     

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。     

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。

     

框架型人工鱼礁布放过程的动力学分析

为解决不当的人工鱼礁布放操作导致的鱼礁碰撞破坏、布置点偏离目标地点过大等问题,对静水环境下框架型人工鱼礁布放的动力学过程进行了研究。基于人工鱼礁下落过程的水动力学模型、鱼礁与海底接触碰撞模型,对现有碰撞力公式进行合理修正,建立了人工鱼礁布放过程的整体动力学方程;采用数值方法对动力学方程进行求解,得到鱼礁下落速度以及不同海底底质条件下的着底冲击力。分析表明,海底底质越硬,着底冲击力越大。采用多体动力学软件ADAMS对鱼礁在不同初始姿态下的布放过程进行模拟,采用有限元软件ANSYS Workbench对鱼礁结构进行强度分析。结果表明,鱼礁初始姿态倾斜角度越大,下落达到的稳定速度越小;棱着底的最大冲击力比面着底的要小,但产生的应力更大;最大应力发生在着底棱的中部。本研究可为合理规划人工鱼礁的布放和人工鱼礁的设计提供参考。     

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...     

一种浮性人工鱼礁的理论设计

目前我国人工鱼礁场等建设大多是投放底层鱼礁来改变海底地质地貌,并未利用整个水层。从这一角度出发,设计了浮性人工鱼礁,并介绍了浮性人工鱼礁礁体材料选择以及制作过程和制作细节,对浮性人工鱼礁的礁体和锚绳的基本受力情况进行简单分析,并阐述了浮性人工鱼礁的不足以及需要改进或有待研究的地方。