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。     

许氏平鲉幼鱼在不同流场环境下的趋礁行为研究

为了分析岩礁性鱼类在不同人工鱼礁流场环境中的空间分布,以许氏平鮋Sebastes schlegelii幼鱼(体质量2.78 g±0.51 g)为研究对象,通过计算流体动力学方法(CFD),分别模拟并分析了立方体框架式鱼礁、圆柱型鱼礁、三角型框架式鱼礁和立方体实心礁在6种来流速度(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s)下的三维绕流流场,同时通过鱼类行为学实测分析,以礁体所影响的流速大小区域作为依据,观察分析了不同结构人工鱼礁流场效应对鱼类的诱集作用。结果表明:最大上升流高度、迎流区长度及侧流区宽度大小与来流速度大小不相关,迎流区域(Ⅱ区)、上升流区域(Ⅳ区)和侧流区域(Ⅴ区)不随来流速度的变化而改变;不同礁体对鱼类的诱集率随来流速度的变化而变化,框架礁对鱼的诱集率由63.06%减少到52.50%,圆柱礁诱集率由43.06%增加到59.44%,三角礁诱集率由39.17%增加到83.61%,实心礁诱集率由49.72%增加到70.28%,在高流速环境下鱼礁对幼鱼的集鱼效果显著提高,且不同礁体5个区域幼鱼平均分布率总体为背涡流区域(Ⅲ区)侧流区域(Ⅴ区)鱼礁内部区域(Ⅰ区)迎流区域(Ⅱ区)上升流区域(Ⅳ区)。研究表明,4种礁型中以内部结构较为复杂的三角型框架式鱼礁对试验鱼的诱集效果最好。     

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。     

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。     

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。     

方形人工鱼礁通透性及其对礁体周围流场影响的数值实验

基于考虑不同形状大小、组合规模的人工鱼礁投放于不同水域环境后形成的流态变化有较大差异,设计x、y、z三个方向不同通透方式的单个正方体人工鱼礁,采用LES(大涡模拟)紊流模式,对定常来流速度下人工鱼礁单体附近流场进行三维数值模拟,建立反映礁体结构的通透系数与礁体产生流场变化的关系。结果显示:上升流和背涡流的规模随通透系数增加而减小;来流方向上,礁体迎流面、背流面的通透系数变化对上升流和背涡流规模影响较为显著,而内部结构的变化则作用不明显,礁体上方与侧方的开口对上升流和背涡流的影响也不显著。迎流面通透系数变化是背涡流规模影响的主要因素。方形单礁缓流区体积随通透系数Tin增大呈线性减小,关系为V_x=-1241.8T_in+1206。通过该研究可在数值计算中通过通透系数与流场变化的关系,实现将复杂礁体简单化,有效地提高计算效率;为将小范围模拟扩大到群礁、甚至大海域的模拟,定量评估人工鱼礁的生态效应打下基础。     

不同高度混凝土模型礁上升流特性的定量研究

通过水槽模型试验,对6种不同高度混凝土人工鱼礁模型在来流速度为13．5、23．5、33．5cm／s条件下的上升流特性进行了研究,并对上升流规模进行了定量分析。结果表明：在3种来流速度下,6种混凝土模型礁最大上升流速度为来流速度的1／30～1／25;上升流的平均速度为0．04—0．34cm／s,上升流平均速度为最大上升流速度的1／13—1／4;上升流相对高度为礁高的1．5—2．8倍;上升流相对宽度为礁宽度的1．3～6．2倍;上升流相对面积为礁迎流面面积的2．7—6．3倍。     

广东省澄海莱芜拟建礁区建礁可行性研究

根据2003年5月广东省澄海菜芜拟建人工鱼礁区海域和对比区海域本底调查所获资料,从水文、水质、底质、生物环境等方面分析了在拟建礁区建礁的优越性。结果表明,莱芜拟建人工鱼礁区海域水深8.5-11.0m,海面波高小于1m,拟建礁区相对于对比I墨具有明显的建礁优越性：流速较平缓,投礁后礁体所受到的波流影响较小、稳定性较强;拟建礁区的海水透明度高于对比区,更适合营光合作用的浮游生物和礁体附着生物生长;各站位pH值的平面分布和垂直分布都比较均匀;海水质量基本达到国家二类海水水质标准;表层沉积物类型主要为细砂、粘土-砂质粉砂、粉砂质砂和粘土质粉砂,属于硬质底质泥沙底,可减缓礁体投放下沉时的冲击力,投礁后礁体稳定性较强;浮游植物、浮游动物和底栖生物的栖息密度和生物多样性均高于同期调查的对比区;拟建礁区游泳生物的栖息密度明显比对比区高;鱼卵仔鱼数量较多;拟建礁海域以前是良好的渔场,附近无工业废水排放。因此,在澄海菜芜拟建礁区建礁是可行的。     

广东省柘林湾海域溜牛礁区建礁可行性研究

根据2009年7月广东省柘林湾海域拟建溜牛人工鱼礁区海域和对比区海域本底调查所获资料,从水文、水质、底质、生物环境等方面分析了在拟建礁区建礁的优越性.结果表明,柘林湾溜牛拟建人工鱼礁区相对于对比区具有明显的建礁优越性:流速较平缓,投礁后礁体所受到的波流影响较小、稳定性较强;拟建礁区的海水透明度高于对比区,更适合营光合作用的浮游生物和礁体附着生物生长;各站位pH值的平面分布和垂直分布都比较均匀;海水质量基本达到国家二类海水水质标准;表层沉积物类型主要为细砂、粘土-砂质粉砂、粉砂质砂和粘土质粉砂,属于硬质底质泥沙底,可减缓礁体投放下沉时的冲击力,投礁后礁体稳定性较强;浮游植物、浮游动物和底栖生物的柄息密度和生物多样性均高于同期调查的对比区;拟建礁区游泳生物的栖息密度明显比对比区高;鱼卵仔鱼数量较多;拟建礁海域以前是良好的渔场,附近无工业废水排放.因此,在柘林湾溜牛拟建礁区建礁是可行的.     

海州湾人工鱼礁区浮游植物的种类组成和生物量

于2003年2、7、10月和2004年2月对海州湾人工鱼礁投放海域进行了浮游植物调查。结果表明:已鉴定的浮游植物有2门16属36种,其中硅藻门占优势,有13属31种,甲藻门次之,有3属5种;浮游植物种类组成及优势种类的季节变化比较明显,前3次以硅藻占绝对优势,第4次演变为甲藻占优势;人工鱼礁区和对照区表层叶绿素a浓度为0.98~10.60 mg/m3,鱼礁区和对照区的平均值分别为6.81、6.10 mg/m3;浮游植物的生物量为41.06~706.63 mg/m3,鱼礁区和对照区的平均值分别为252.95、123.69 mg/m3;初级生产力为27.02~1 222.78 mg C/(m2.d),鱼礁区和对照区的平均值分别为455.23、276.92 mg C/(m2.d);鱼礁区和对照区浮游植物的月均细胞密度最高分别为269.6×104、187.4×104cell/m3,最低分别为220.9×104、114.7×104cell/m3。被调查海区的浮游植物细胞密度和生物量具有明显的季节变化,但同一季节中,鱼礁区的生物量、营养盐含量等比投礁前有所增加。     

马里亚纳海沟东西两侧海域中尺度涡的海面高度计观测研究

使用2001—2006年的卫星海面高度计数据,对马里亚纳海沟东西两侧(15°～25°N,120°～160°E)海域中尺度涡的传播特性及其强度变化进行了研究。结果表明:在马里亚纳海沟以东形成的很多涡旋,都具有明显的西向传播特性,传播速度与第一斜压模式的Rossby长波的传播速度基本一致;反气旋式涡旋(暖涡)的面积大于气旋式涡旋(冷涡)的面积,并且呈现面积交替变化的特征,即冷涡面积大时暖涡面积小,反之亦然;以海面高度距平均方根值为指标的中尺度涡强度呈春夏季大、秋冬季小的季节性变化,但2004年出现了相反的现象;夏季和秋季,台湾岛和菲律宾群岛东侧的水深与中尺度涡的强度分布有着较好的对应关系,水深越大,强度也越大。     

近海中上层柔性浮鱼礁设计与应用

当前我国海洋牧场建设、栖息地改造主要通过底层鱼礁进行,从产生营养物质上升流、饵料场和产卵场及生物链的角度未充分利用整个水体空间,导致效能不能发挥到最佳。为解决这一问题,针对我国东海近海海域海况和生物特性研发了能与底层人工鱼礁协同工作的中上层浮鱼礁。从改善流场、自身体积保持等角度设计了四层网格式柔性浮式鱼礁,进行了浮力、重力及抗浪流能力的校核计算,确定了锚系技术方案及水下效果监控方法。在象山港海洋牧场进行了布放,实际效果测试表明所设计的浮鱼礁可以有效改善区域流场,在最高潮和最低潮时均可保持竖直方向的拉伸状态,最大潮流速度时倾斜角度不超过20度,现场多批次调查及水下视频监控效果显示所研发的鱼礁能够与底层鱼礁协同工作,投放2个月后有鱼类稳定地出现在浮鱼礁周围,取得了良好的效果。     

含沙量变化对U型渠道垂线流速分布的影响

【目的】探索含沙量变化对U型渠道挟沙水流垂线流速分布的影响,进而从理论上完善挟沙水流流速分布规律。【方法】通过U型渠道水槽试验,测定水流中含沙量为1.12～500kg/m3时,最大流速所在位置的变化,同时引入卡门常数κ,来反映含沙量对垂线流速分布的影响。【结果】当水流含沙量s<300kg/m3时,随着含沙量的增加,最大流速点的位置逐渐下降,在主流区、底流区和表面区,挟沙水流均遵循对数流速分布规律,但κ的变化规律不同;当含沙量s≥300kg/m3时,水流的流型发生了变化,表面区、主流区水流不再遵循对数流速分布规律,底流区虽仍遵循对数流速分布规律,但κ的变化规律与s<300kg/m3时不同,κ的变化趋势总体随着含沙量的增大而减小。【结论】U型渠道挟沙水流遵循对数流速分布规律,κ的变化规律与普通明渠不同,应该分别对待。     

5种植物油体性质的比较

【目的】对5种植物油体的大小、结构及稳定性进行考察,为选择优质的植物油体奠定基础。【方法】利用PBS作为缓冲液,采用梯度离心法,提取水稻、亚麻芥、黄豆、黑豆和红花5种植物的油体,对这5种油体的外观进行观察;在倒置显微镜(10倍目镜×40倍物镜)下对5种植物油体的显微结构进行考察;用Mastersizer 2000激光粒度仪测定5种植物油体的粒径,同时比较于4℃放置15d后5种油体的粒径变化情况;通过SDS-PAGE电泳明确5种植物油体蛋白的分布情况。【结果】与其他植物油体相比,红花油体色泽洁白、透亮,分布均匀,粒径呈单一峰型,且峰型平滑。红花油体粒径为0.4~11.0μm,多数集中在1.75~2.05μm,水稻、亚麻芥、黄豆、黑豆油体粒径分别为0.5~12.0,0.3~11.0,0.4~13.0,0.4~13.0μm。在4℃放置15d后,5种植物油体的粒径增大,油体中均有杂峰出现,峰型不规则。SDS-PAGE电泳检测结果显示,5种植物油体相关蛋白主要分布在20.1~44.3ku。【结论】红花油体较其他植物油体结构规则,分散均匀,应用前景广阔。     

东太平洋赤道海域中尺度涡的特征分析

东太平洋赤道海域是我国重要的作业渔场,中尺度涡与渔场形成和分布有着密切的联系。本研究基于流场几何的涡旋判别方法,利用2012-2018年气象卫星遥感数据对东太平洋赤道海域（85°W~125°W,5°S~5°N）的中尺度涡进行识别,分析了该海域中尺度涡旋的空间分布、半径范围、生命周期和迁移路径及速度等基本特征。研究结果显示,东太平洋赤道海域反气旋涡的数量要多于气旋涡的数量;涡旋的生命周期较短,绝大多数不超过一周;涡旋的半径主要集中在250~310 km,迁移速度主要集中在6~18 m/s,迁移距离为25~50 km;在靠近南北纬5°的海域表现出两条涡旋活动较为频繁的“热带区域”,而在纬度为零的海域几乎没有涡旋存在。同时,涡旋的生命周期和半径表现出明显的年间变化。该研究成果为深入分析东太平洋赤道海域渔场形成、时空分布和开展渔情预报提供了基础。     

横流中三维线源型倾斜正浮力射流近区特性的数值研究

利用混合有限分析法及交错网格的思想,对横流中有限长线源型倾斜正浮力射流进行了数值计算,成功模拟了端涡现象及其发展过程,得出了产生端涡现象的界限值,还给出了射流横断面上温度最大值偏离对称平面的偏离值与流速比的关系式。数值结果清晰地显示浮射流背流面存在马蹄形的流动结构。     

獐子岛深水人工鱼礁区大泷六线鱼生长特性研究

为评估獐子岛深水人工鱼礁区大泷六线鱼Hexagrammos otakii的生长特性及其资源变动情况,利用Von Bertalanffy生长方程分析了该海域大泷六线鱼体长与体质量的关系式、生长方程、各项生长参数和生长特征变化情况,运用FISATⅡ软件评估了鱼礁区大泷六线鱼的可捕资源量,分析了投放人工鱼礁对大泷六线鱼生长特性及资源量的影响,并提出了大泷六线鱼渔业资源可持续发展管理措施及资源合理利用的建议。结果表明:人工鱼礁区大泷六线鱼的平均体长和体质量随年份的增加基本呈上升趋势,优势体长组和优势体质量组随年份的增加均呈递增趋势,优势体长组为161~200 mm,优势体质量组为81~120 g;体质量生长的拐点年龄为3.75 a,种群生物量增长的临界年龄为3.73 a,总瞬时死亡率为0.483/a;根据体长股分析法,计算出鱼礁区(800 hm~2)大泷六线鱼可捕资源量为1571.6 t(约196.4 g/m~2)。研究表明,合理的捕捞限制应为3.73 a,最小不低于3 a,对体长小于281.6 mm、体质量小于273.7 g的大泷六线鱼应予以保护。     

槟榔黄化病病株空间分布型及抽样技术研究

应用聚集度指标法、Iwao法和Taylor幂法则,研究了槟榔黄化病病株在槟榔园的空间分布型和抽样技术。结果表明,槟榔黄化病病株空间分布格局随着病株密度的提高逐步从均匀型向聚集型演变发展。m*-m回归分析表明病株空间分布的基本成分是个体群,个体间相互排斥,个体群在田间呈聚集分布趋势。Taylor幂法则分析表明,槟榔黄化病病株的空间分布随着病株密度的提高而趋向聚集分布。在此基础上提出了理论抽样数:n=(t/D)2(0.77/m+0.319)。此研究结果为槟榔黄化病调查和监测提供了科学依据。     

基于遥感和空间洛伦茨曲线的北京市昌平区土地利用结构时空变化分析

以遥感影像为数据源,提取2000,2003和2007年三时相的昌平区土地利用信息,以高程150 m为界限划分为山地生态涵养区和平原经济发展区。分析表明,平原经济发展区土地利用结构变化主要体现为耕地向城矿居用地转化,而山地生态涵养区各组分变化并不明显。应用空间洛伦茨曲线和空间基尼系数分析揭示三时相不同土地用途的分布特征,研究发现水域和城矿居用地的空间分布在三时相最不均匀,集中于平原经济发展区,耕地和林地比较均匀,未利用地分布变化较大。7年之间耕地、林地和水域在向均匀方向发展,城矿居用地先趋于不均匀后转向均匀发展,未利用地恰好相反。