2025, Vol. 55
人工鱼礁作为现代化海洋牧场的重要组成部分，为海洋生物提供了一个具有优越遮蔽功能的栖息和繁殖环境，在推动海洋生物多样性保护与恢复、海洋渔业资源可持续利用方面发挥着积极作用。人工鱼礁的设计和构建需要考虑其对水流的影响，其中上升流和背涡流的产生对于鱼礁的生态功能意义重大。上升流能够将底部生物饵料带至上层水体，为海洋生物提供丰富的食物来源，而背涡流则可以在礁体内部和后方形成复杂的流场环境，为鱼类提供充足的繁殖和生存空间。因此，礁体产生的上升流和背涡流规模是评估人工鱼礁的流场效应的关键指标[1]。
人工鱼礁结构形式是影响礁体流场效应的重要因素之一[2]。学者们相继提出了多种人工鱼礁结构设计形式，包括圆筒形[3]、三角形[4]、梯台形[5]、方形[6]以及其他衍生礁形式[7-8]，并对比了不同礁体结构形式在流场效应方面的差异[9-11]。每种结构形式因其独特的几何特性，如高度[12]和开孔情况[13-14]，都会对其周围流速分布、涡流形成和湍流强度等产生明显影响。
在原有框架型礁体结构内部增设导流板有助于促进上升流的产生及背涡流区域范围的扩大[15]。毛海英等[16]研究了增设导流板的框架型鱼礁体在不同布设间距下的流场效应。戚福清等[17]通过大涡模拟研究了增设侧板对八棱柱型鱼礁体的流场效应，结果表明增加侧板数量和改变侧板位置均对礁体流场效应产生显著影响。此外，王者也等[18-20]学者通过对不同结构、不同来流速度和不同迎流角度条件下的人工鱼礁水动力特性进行深入研究，指出来流速度和礁体迎流角度对礁体流场效应也存在显著影响。
综合上述研究发现，在人工鱼礁单礁体流场效应研究方面，国内、外学者主要研究了鱼礁结构形式、开孔方式和开孔率等因素的影响，而对于增设倾斜侧板和改变迎流角度对人工鱼礁流场效应影响的研究相对较少。在人工鱼礁的迎流角度方面，国内学者主要研究了方形人工鱼礁体下待定迎流角度(0°和45°)下的流场效应，且尚未涉及增设倾斜侧板的方形人工鱼礁体的流场效应的研究。
因此本文在框架型人工鱼礁基础上对礁体结构进行了优化，提出了一种增设倾斜侧板的新型方形人工鱼礁结构，并利用Fluent软件研究了来流速度和迎流角度对增设倾斜侧板的方形单礁体水动力特性的影响，并通过物理实验结果进行验证，旨在为人工鱼礁结构设计提供参考。
1 研究方法 1.1 物理模型实验增设倾斜侧板的方形人工鱼礁实物长、宽、高均为3 m，侧板厚度为0.12 m，框架厚度为0.3 m，倾斜侧板与框架紧密结合。考虑到实验水槽的尺寸，为防止水槽实验区域边壁对鱼礁体产生物理约束而引起的管壁效应[4]，根据重力相似准则选取比例尺寸(原型∶实验模型=1∶20)，从而设置实验礁体模型长、宽、高均为0.15 m，侧板厚度0.006 m，框架厚度为0.015 m。模型制作采用3D打印技术，材料为白色树脂，具有结构强度大和精度高的特点，模型如图 1所示。
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图 1 人工鱼礁模型示意图(单位：cm) Fig. 1 Schematic diagram of artificial reef model (Unit: cm) |
模型的安装如图 2所示，实验在配备水流循环系统的室内水槽中进行，水槽尺寸为4 m × 1.2 m × 1 m，其流速测量范围为0 ~ 1.2 m/s。实验采用声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler velocimeter，ADV)精确测量测点位置处的流速。
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(x向为顺流向；y向垂直槽壁；z向垂直向上。x is the direction of flow; y is the direction perpendicular to the wall of the groove; z is the direction perpendicular to the upward direction.) 图 2 模型安装示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the installation of the model |
实验时，先将礁体模型通过螺丝固定在螺杆上，螺杆固定在水槽顶部架子上，使礁体在水槽中处于竖直悬垂的状态。礁体模型中心和顶面距离水流入口处均为2 m、距离自由液面分别为15和30 cm，将槽壁模拟为海底，使模型的底部和水槽的一个侧面十分接近但不接触，忽略自由液面的影响，并假设模型礁体的底部不受摩擦力，且不存在穿过模型底部与水槽侧壁之间缝隙水流的作用[21]。
每组实验开始前，均对礁体中心前1 m处的流速进行测量，当流速达到0.3和0.4 m/s后，通过滑轨缓慢将流速仪移动至各测点处。待流速仪测量数值波动趋于稳定后，每个测点保存历时30 s的流速数据，每组实验重复进行3次。实验数据首先严格遵循拉依达准则进行处理，删除异常数值，然后将剩余数值的平均值作为实验测量结果。模型周围测点分布如图 3所示。
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(x向为顺流向；y向垂直槽壁；z向垂直向上。A1—A10分别为各个测点的位置。单位：cm。x is the direction of flow; y is the direction perpendicular to the wall of the groove; z is the direction perpendicular to the upward direction.A1—A10 are the positions of each measurement point.Unit: cm.) 图 3 垂直槽壁截面0.075 m处模型周围速度测点位置示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the position of velocity measurement points around the model at 0.075 m of the vertical groove wall cross-section |
本文将流体假定为不可压缩黏性流体，且在非稳态下不进行热交换，采用适用于非稳态的Navier-Stokes方程[22]求解，其连续方程和雷诺时均Navier-Stokes方程可分别表示为
| $\frac{\partial u_i}{\partial x_j}=0$, | (1) |
| $ \frac{\partial u_j}{\partial t}+\frac{\partial u_j u_i}{\partial x_j}=-\frac{\partial p}{\partial x}+\frac{\alpha}{\alpha x_i}\left[\mu \frac{\partial u_i}{\partial x_j}-\overline{u_i^{\prime} u_j^{\prime}}\right] 。$ | (2) |
式中：ui, uj为雷诺时均速度分量(m·s-1)，i和j为方向指标，i=j=1, 2, 3，其中1、2和3分别对应x、y和z方向)；xi, xj为空间坐标(m)；t为时间(s)；μ为动力黏度(Pa·s)；p为平均压强(Pa)；$\overline{u_i^{\prime} u_j^{\prime}}$代表未知的雷诺应力项。
湍流模型采用可实现的k-ε湍流模型，该模型可以准确模拟礁体结构内、外的流速和漩涡分布情况[22]。该湍流模型对应的湍流动能κ方程和湍流耗散率ε方程分别为
| $ \frac{\partial(\rho \kappa)}{\partial t}+\frac{\partial\left(\rho \kappa u_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial}{\partial x_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_\kappa}\right) \frac{\partial \kappa}{\partial x_j}\right]+G_\kappa-\rho \varepsilon, $ | (3) |
| $ \begin{gathered} \frac{\partial(\rho \varepsilon)}{\partial t}+\frac{\partial\left(\rho \varepsilon u_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial}{\partial x_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}}\right) \frac{\partial \varepsilon}{\partial x_j}\right]+ \\ \rho C_1 E \varepsilon-\rho C_2 \frac{\varepsilon^2}{\kappa+\sqrt{\nu \varepsilon}} \circ \end{gathered} $ | (4) |
式中：ρ为流体密度(kg·m-3)；μt为湍流黏度系数(Pa·s)；v为运动黏度(m2·s-1)；Gκ为平均速度梯度而产生的湍流动能；E为时均应变率；有效普朗特(Prandtl)数σκ=1.0，σε=1.2；湍流耗散率经验常数C1=C2=1.9。
1.2.2 计算域和边界条件方形人工鱼礁体数值模型的礁长L为3 m，框架厚度为0.3 m，侧板厚度为0.12 m。为准确模拟礁体周围流场情况，计算域的长度需达到9倍礁长(礁前为3倍礁长，礁后为5倍礁长)，计算域宽度需达到5~6倍礁宽，计算域高度应达到4倍以上礁高[23]。基于此，建立如图 4所示的长方体计算域，其长×宽×高为15L×5L×5L(即45 m×15 m×15 m)，其中礁前为4倍礁长(12 m)，礁后为10倍礁长(30 m)。
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图 4 模型计算域(单位：m) Fig. 4 Calculation domain of the model(Unit: m) |
设定的初始边界条件：进口边界定义为速度入口边界条件，设置进口处初始流速，湍流动能和湍流耗散率均在入口处初始化；出口边界定义为自由出流边界条件，允许流体无压力自由流出；计算域的两侧面设置为对称边界条件，以减少计算域对流场模拟的影响，提高计算效率；计算域的顶面设定为可移动壁面，其速度与入口水流速度相同，且剪切力为零，模拟无限水域上表面的情况；底面和鱼礁体表面定义为无滑移壁面条件，即流体在这些表面处的相对速度为零。
1.2.3 网格划分由于增设倾斜侧板的方形人工鱼礁结构较为复杂，礁体内部4个侧板具有一定的倾斜角度，需要考虑多种因素。因此，本文采用四面体非结构化网格进行计算域的体网格划分，并使用了ANSYS Workbench Meshing组件的自适应网格划分方式。该方式可以自动对礁体周边的网格进行细化，如图 5所示。
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(x向为水流方向；y向为水深方向；z向为垂直礁体底面方向。x direction is the direction of water flow; y direction is the water depth direction; z direction is the direction of the vertical reef bottom.) 图 5 网格划分示意图 Fig. 5 Schematic diagram of grid division diagram |
在数值模拟过程中，为降低因网格尺度所导致的误差，本研究选取增设倾斜侧板的人工鱼礁单体进行模拟。模拟中的来流速度设定为0.8 m/s，并采用不同的计算域最大网格尺寸(0.90、0.60、0.50和0.40 m)开展模拟工作。鉴于礁体阻力系数对网格变化较为敏感，本研究选择该系数作为参数验证网格的收敛性[5]，结果如表 1所示。
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表 1 不同网格尺寸模拟结果 Table 1 Simulation results in different grid sizes |
由表 1可知；随着网格数量的增加，礁体阻力系数的变化整体较小，最大相对误差为1.14%；网格单元质量均大于0.8，这说明网格质量较好，能够满足模拟要求。在确保数值模拟结果准确性的前提下，为合理节约计算资源，最终确定用于后续数值计算的网格最大尺寸为0.60 m，对应的网格总数为9.84×105。
2.2 流速验证为验证本文建立的数学模型在模拟人工鱼礁流场效应方面的准确性，本研究基于物模实验结果，对比验证了在相同工况下各测点在x方向流速的模拟值和试验值，结果如图 6所示。从图 6中可以发现，各测点流速模拟值和试验值的吻合度较高，这说明本文所建立的数值模型能够较为精准地模拟人工鱼礁周围的流场变化情况。
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((a)入口流速0.3 m/s; (b)入口流速0.4 m/s。(a) Inlet flow velocity 0.3 m/s; (a) Inlet flow velocity 0.4 m/s.) 图 6 不同来流速度下测点处流速模拟值与实验值关系 Fig. 6 Between the simulated and experimental values of the measured flow velocity at different incoming flow velocities |
本研究将人工鱼礁产生的上升流和背涡流的空间范围作为评价其流场效应的重要指标[24]。上升流范围定义为垂向(z向)分速度大于来流速度5%的区域[25]，背涡流范围定义为流向与来流方向相反的水流区域[26]，并通过CFD-Post软件对上升流范围和背涡流范围进行提取和分析。流场效应空间范围表示流场的空间可达性，其量化指标包括流场相对体积、人工鱼礁相对长度和相对高度[27]。因此，选取上升流相对体积(上升流体积/礁体体积)、相对高度(上升流最大高度/礁高)、最大相对速度(垂向最大速度分量/来流)、背涡流相对体积(背涡流体积/礁体体积)、相对长度(背涡流水平最大跨度/礁体边长)和相对高度(背涡流最大高度/礁高)作为评价礁体流场效应的量化指标。这些指标能反映流场的空间可达性和扰动能力，进而体现人工鱼礁体的流场效应的强弱。数值模拟工况如表 2所示。
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表 2 数值模拟工况 Table 2 Numerical simulation of working conditions |
图 7和8分别为单礁体在迎流角度为0°时水平截面y=0 m时的速度云图。对比图 7和8可以发现，在4种来流速度下，增设倾斜侧板的优化方式不论是对于上升流还是背涡流都具有明显的提高效果，增设侧板的礁体结构上方生成的上升流区域范围和礁后生成的背涡流区域范围均明显增大，增设倾斜侧板的方形单礁体比未增设倾斜侧板的框架型礁体流场效应更佳。表 3为增设倾斜侧板礁体结构和未增设倾斜侧板礁体结构产生的流场效应，对比可知，当来流速度为0.8 m/s时，增设倾斜侧板礁体结构的上升流和背涡流相对体积分别是未增设倾斜侧板结构的4.51和9.54倍，充分体现了其良好的流场效应。
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((a)入口流速0.5 m/s; (b)入口流速0.6 m/s; (c)入口流速0.7 m/s; (d)入口流速0.8 m/s。(a) Inlet flow velocity 0.5 m/s; (b) Inlet flow velocity 0.6 m/s; (c) Inlet flow velocity 0.7 m/s; (d) Inlet flow velocity 0.8 m/s.) 图 7 迎流角度为0°时未增设倾斜侧板的方形人工鱼礁在y向垂直截面0 m处的速度云图 Fig. 7 Velocity contour of a square artificial reef without inclined side plates at 0 m in the y direction perpendicular section at frontal angle of 0° |
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((a)入口流速为0.5 m/s; (b)入口流速为0.6 m/s; (c)入口流速为0.7 m/s; (d)入口流速为0.8 m/s。(a) Inlet flow velocity 0.5 m/s; (b) Inlet flow velocity 0.6 m/s; (c) Inlet flow velocity 0.7 m/s; (d) Inlet flow velocity 0.8 m/s.) 图 8 迎流角度为0°时增设倾斜侧板的方形人工鱼礁中y向垂直截面0 m处的速度云图 Fig. 8 Velocity contour at 0 m in the y direction perpendicular section of a square artificial reef with inclined side plates at frontal angle of 0° |
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表 3 是否增设倾斜侧板的礁体流场效应对比 Table 3 Comparison of the flow field effect of the reef with or without inclined side plates |
选定礁体迎流角度为0°，重点分析来流速度对增设倾斜侧板的人工鱼礁周围流场形态的影响。由图 8可知，当主流遇到人工鱼礁后，受内部倾斜侧板的作用，水流向上流动且流速增大，产生抬升效应，即上升流，可以促进营养盐向表层运输，为增殖放流的生物群提供有效的资源补充。与此同时，礁体内部增设的倾斜侧板也有效阻止水流的流入，降低礁内及礁后的流速，在礁后形成流速较低的区域，即背涡流，可为洄游性海洋生物提供短暂停留的场所。在4种来流速度下，礁体流动分离点均为礁体迎流面上方的棱边，上升流和背涡流体积区域面积均与来流速度成正比，当流速大于0.6 m/s后，随来流速度继续增大，背涡流体积区域面积变化减小。
由图 9可得，水流受礁体迎流面阻挡作用从礁体迎流面的上边缘发生流动分离，礁体顶部向上流动的水流与主流汇合后，通过鱼礁顶部向下流动。从礁体上方流下的水流在礁后形成了一个由旋转方向为顺时针的涡旋组成的尾流区。礁后涡旋区的范围随来流速度的增大略微增大，但涡旋的基本形态基本保持不变，涡心则随来流速度的增大略微向上偏移，从礁体中下部逐渐移至礁体中上部，但未超过礁体顶部。
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((a)入口流速为0.5 m/s; (b)入口流速为0.6 m/s; (c)入口流速为0.7 m/s; (d)入口流速为0.8 m/s。(a) Inlet flow velocity 0.5 m/s; (b) Inlet flow velocity 0.6 m/s; (c) Inlet flow velocity 0.7 m/s; (d) Inlet flow velocity 0.8 m/s.) 图 9 迎流角度为0°时增设倾斜侧板的方形人工鱼礁中y向垂直截面0 m处速度矢量图 Fig. 9 Vector diagram of velocity at 0 m in the vertical cross-section of a square artificial reef with inclined side plates at frontal angle of 0° |
从图 10中可以发现：在不同迎流角度下，礁体产生的上升流相对体积均随来流速度的增大呈线性递增趋势，且递增速率基本一致，当来流速度为0.8 m/s时，上升流相对体积达到最大，此时流场垂向空间可达性较优，生成的上升流相对体积最大可达礁体体积的25.01倍；不同迎流角度下，上升流相对高度与来流速度成正比，来流速度对上升流最大相对速度的影响较小。因此，在选择投放海域时，在保证礁体稳定性的前提下，选择来流速度较大的海域建设人工鱼礁区有利于上升流的生成，从而促进营养物质在不同水层之间扩散，改善海域生态环境。
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((a)上升流相对体积Relative volume of upwelling; (b)上升流相对高度Relative height of upwelling; (c)上升流最大相对速度Maximum relative velocity of the upwelling.) 图 10 上升流特性参数随来流速度的变化 Fig. 10 Variation of upwelling current characteristic parameters with incoming flow velocities |
图 11给出了在不同迎流角度下礁体背涡流规模随来流速度的变化规律。从图 11中可以看出，不同迎流角度下，礁体产生的背涡流相对体积和相对长度均随来流速度的增大而逐渐增大。当迎流角度为0°和75°时，背涡流相对高度与来流速度成正比，且在这2种迎流角度下，来流速度对背涡流相对高度的影响要明显大于其他迎流角度。当来流速度为0.8 m/s时，所生成的背涡流体积最大可达礁体体积的1.06倍，同时，背涡流在x向上的最大水平跨度约为礁体边长的3.65倍，这表明来流速度较大时更有利于背涡流的生成。
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((a)背涡流相对体积Relative volume of the back vortex；(b)背涡流相对高度Relative height of the back vortex；(c)背涡流相对长度Relative length of the back vortex.) 图 11 背涡流特性参数随来流速度的变化 Fig. 11 Variation of back eddy current characteristic parameters with incoming flow velocities |
目前，在人工鱼礁区建设领域提倡“减量增质提效”的投放模式，通过选择合适的迎流角度进行礁体投放，可以实现在相同成本下得到更高的效益。本节重点分析增设倾斜侧板的方形人工鱼礁体在改变迎流角度后对周围流场的变化，分析迎流角度对人工鱼礁水动力特性的影响，旨在找出可以使人工鱼礁单体发挥最大效能的迎流角度，从而使礁体最大限度地发挥其功能。图 12为不同迎流角度下增设倾斜侧板的方形人工鱼礁体俯视图。
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图 12 不同迎流角度下增设倾斜侧板的方形人工鱼礁体俯视图 Fig. 12 Top view of a square artificial reef body with inclined side plates at different heading angles |
由3.1节可知，不同迎流角度下礁体在0.8 m/s时表现出较好的流场效应。基于此，本节选定来流速度为0.8 m/s，分析迎流角度变化对礁体流场形态的影响。
由图 13可见：当迎流角度从0°变化至45°时，礁体上部形成的上升流范围明显增大，流动分离点从礁体迎流面的左上边缘向礁体顶部中心移动；当迎流角度从45°变化至75°时，上升流范围逐渐减小，流动分离点逐渐回到礁体顶面最左边缘。流动分离点的这种变化主要是迎流面的礁体棱边随迎流角度改变而引起的；当迎流角度为45°时，礁体呈对称分布，此时棱边位于迎流面中心，对主流好分流作用增强，进而使流动分离点向后移动。此外，礁体背涡流的最大水平跨度受迎流角度影响较小，无明显的改变；当迎流角度为15°和30°时，倾斜侧板对礁体的阻流效果较差，礁体内部流场的速度要明显高于其他迎流角度下的情况；当迎流角度为75°时，在礁体后面形成的背涡流高度明显高于礁高，且产生的背涡流影响范围最大，相较于其他迎流角度产生的背涡流效应表现更优。
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((a)迎流角度0°; (b)迎流角度15°; (c)迎流角度30°; (d)迎流角度45°; (e)迎流角度60°; (f)迎流角度75°。(a) Frontal angle 0°; (b) Frontal angle 15°; (c) Frontal angle 30°; (d) Frontal angle 45°; (e) Frontal angle 60°; (f) Frontal angle 75°.) 图 13 来流速度为0.8 m/s时，增设倾斜侧板的方形人工鱼礁中y向垂直截面0 m处速度云图 Fig. 13 When the incoming velocity is 0.8 m/s, the velocity contour at 0 m in the vertical section of the y direction of the square artificial reef with inclined side plates |
图 14为不同迎流角度下水平方向截面z=1.5 m的速度矢量图。由图 14可见：当迎流角度为0°时，由于礁体迎流面与水流方向垂直，阻流作用较强，礁后流速明显减小，但未形成明显的涡旋。随着迎流角度的改变，礁体迎流面与水流方向呈一定夹角，在礁后竖向棱边处逐渐形成逆时针旋转的涡旋，其中靠后棱边处产生的涡旋最为显著。该涡旋范围随着迎流角度从15°增大至45°，而后继续逐渐增大，在迎流角度为45°时涡旋范围达到最大，并对流场的扰动最强烈，这充分说明迎流角度对背涡流影响显著。
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((a)迎流角度0°; (b)迎流角度15°; (c)迎流角度30°; (d)迎流角度45°; (e)迎流角度60°; (f)迎流角度75°。(a) Frontal angle 0°; (b) Frontal angle 15°; (c) Frontal angle 30°; (d) Frontal angle 45°; (e) Frontal angle 60°; (f) Frontal angle 75°.) 图 14 来流速度为0.8 m/s时，增设倾斜侧板的方形人工鱼礁z向垂直截面1.5 m处的速度矢量图 Fig. 14 When the incoming velocity is 0.8 m/s, the velocity vector diagram of the square artificial reef with inclined side plates at 1.5 m in the z direction vertical cross-section |
由图 15可知，在4种来流速度下：当礁体迎流角度从0°变化至45°时，上升流相对体积递增；当迎流角度从45°变化至75°时，上升流相对体积呈递减的变化趋势，这一变化趋势同图 13中上升流范围的变化趋势一致。上升流相对高度的变化规律与上升流相对体积基本一致，也随迎流角度的变化呈现出先增大后减小的变化规律，二者均在迎流角度为45°时达到最大值。当来流速度为0.8 m/s且迎流角度为45°时，上升流相对体积相较于其他迎流角度最大可增大27%。上升流最大相对速度在迎流角度为75°时最大，迎流角度为45°时最小，这表明上升流体积最大时，其垂向的最大速度最小。
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((a)上升流相对体积Relative volume of upwelling；(b)上升流相对高度Relative height of upwelling；(c)上升流最大相对速度Maximum relative velocity of the upwelling.) 图 15 上升流特性参数随迎流角度的变化 Fig. 15 Variation of upwelling current characteristic parameters with inflow angles |
由图 16可得，在4种来流速度下，礁体后方产生的背涡流相对体积随迎流角度的增大呈现先增大后减小再增大的变化规律，当迎流角度为75°时，背涡流相对体积最大，约为礁体体积的1.06倍。礁体产生的背涡流相对长度随迎流角度的增大也呈现先增大后减小再增大的变化规律，在迎流角度为45°时，产生的背涡流最大水平跨度较为理想，礁体在x方向上生成的背涡流水平跨度最大可达到礁体边长的3.65倍。当迎流角度为0°和75°时，礁体生成的背涡流最大高度较优，其他迎流角度下的背涡流最大高度基本一致。因此，在建设海洋牧场时可以根据海域具体情况选择合适的迎流角度，以实现更优的建礁效果。
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((a)背涡流相对体积Relative volume of the back vortex；(b)背涡流相对高度Relative height of the back vortex；(c)背涡流相对长度Relative length of the back vortex.) 图 16 背涡流特性参数随迎流角度的变化 Fig. 16 Variation of back eddy current characteristic parameters with inflow angles |
建设人工鱼礁区十分复杂，一方面建设成本高昂，另一方面建设后产生的影响不可逆，因此应充分考虑选址的合理性、礁体的耐久性及稳定性等问题[28]。其中礁体的稳定性直接影响礁体的功能和使用年限，如果设计不合理，将导致鱼礁投放后发生滑移、倾覆和碰撞等情况，从而造成经济损失，甚至危及航道安全[29]。因此，本文通过计算在特定海域下增设倾斜侧板的新型人工鱼礁的抗滑移安全系数来校核此结构在投放后是否发生移动。
贾晓平等[1]对人工鱼礁在水流和波浪共同作用时受到的作用力进行了研究，将来流速度u视为海流速度u0和波浪速度u1的叠加，即
| $ u=u_0+u_1=u_0+u_{\mathrm{m}} \sin \gamma, $ | (5) |
| $ u_{\mathrm{m}}=\frac{\mathsf{π} H}{T} \times \frac{\cos h(2 \mathsf{π} D / L)}{\sin h(2 \mathsf{π} h / L)}, \gamma=\frac{2 \mathsf{π} x}{L}-\frac{2 \pi t}{T} 。$ | (6) |
式中：um为波幅(m·s-1)；γ为波向角(°)；u0为潮流速度(m·s-1)；H为波高(m)；L为波长(m)；T为波浪周期(s)；h为水深(m)；D为鱼礁体顶部至海底的高度(m)。
黄祥鹿等[30]提出，可以将人工鱼礁在流速下的流体作用力F分为拖曳力和附加质量力，具体公式为
| $ F=\frac{1}{2} C_{\mathrm{d}} \rho A u^2+C_{\mathrm{m}} \rho V \frac{\partial u}{\partial t} 。$ | (7) |
式中：Cd为拖曳力系数；Cm为附加质量力系数；A为礁体迎流面积(m2)；V为礁体实体体积(m3)。
将式(5)和(6)代入式(7)，得到礁体作用力的通用公式：
| $ F=F_{\mathrm{d}}(\sin \gamma+\alpha)^2-F_{\mathrm{m}} \cos \gamma 。$ | (8) |
式中：拖曳力$F_{\mathrm{d}}=\frac{1}{2} C_{\mathrm{d}} \rho A u_{\mathrm{m}}^2$；附加质量力Fm=$\frac{2 \mathsf{π} C_{\mathrm{m}} \rho V u_{\mathrm{m}}}{T}$；无量纲参数$\alpha=\frac{u_0}{u_{\mathrm{m}}}$。
F若取最大值，需满足$\frac{\mathrm{d} F}{\mathrm{~d} \gamma}=0$ 且$\frac{\mathrm{d}^2 F}{\mathrm{~d} \gamma^2} < 0$，即
| $ \frac{\mathrm{d} F}{\mathrm{~d} \gamma}=2 F_{\mathrm{d}}(\sin \gamma+\alpha) \cos \gamma+F_{\mathrm{m}} \sin \gamma=0, $ | (9) |
| $ \frac{\mathrm{d}^2 F}{\mathrm{~d} \gamma^2}=2 F_{\mathrm{d}}\left(1-2 \sin ^2 \gamma-\alpha \sin \gamma\right)+F_{\mathrm{m}} \sin \gamma <0。$ | (10) |
令$\beta=\frac{F_{\mathrm{m}}}{2 F_{\mathrm{d}}}, x=\sin \gamma, y=\cos \gamma$，则式(9)和(10)可分别转变为
| $ x^4+2 \alpha x^3+\left(\alpha^2+\beta^2-1\right) x^2-2 \alpha x-\alpha^2=0, $ | (11) |
| $ 2 x^2+\alpha x-\beta \cdot \sqrt{1-x^2}-1>0 \text { 。} $ | (12) |
本文使用牛顿迭代法编写程序，利用MATLAB软件求解式(12)，求得F最大时的sinγ和cosγ值，进而求得礁体受力的最大值Fmax。
计算礁体抗滑移稳定性所参照的水文资料如表 4所示。
礁体的抗滑移能力体现在特定海域海底环境里。当人工鱼礁体投放至该海域后，若鱼礁在水流的作用下未出现移动现象，则说明该鱼礁体的抗滑移能力较好。
静摩擦力与最大作用力Fmax的比值SF滑的表达式为
| $ S_{\mathrm{F} \text {滑 }}=\frac{\mu\left[(\sigma-\rho) V g \cos \theta+F_{\max } \sin \theta\right]}{F_{\max } \cos \theta+(\rho-\sigma) V g \sin \theta} 。$ | (13) |
式中：μ为静摩擦系数，一般取μ=0.5[32]；σ为礁体材料的单位体积质量(kg/m3)，对于混凝土人工鱼礁来说一般取σ=2 500 kg/m3[33]。当SF滑＞1.2时，礁体不会发生滑移。结合$\alpha=\frac{u_0}{u_{\mathrm{m}}}$，计算可得此海域波浪最大速度um为0.46 m/s，α为1.74。
由表 5可见，礁体在6种迎流角度下的抗滑移安全系数均远大于1.2，其中迎流角度为75°时稳定性最优。将增设倾斜侧板的人工鱼礁投至日照附近的海洋牧场中实测，得以验证其抗滑移的安全性较好。
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表 5 不同迎流角度下礁体受力值及抗滑移安全系数 Table 5 The force of the reef and the anti-slip safety factor under different heading angles |
为研究增设倾斜侧板的新型人工鱼礁体迎流角度和来流速度对流场效应的影响，本研究利用物理模型实验实测了鱼礁模型不同测点的流速，并与数值模拟结果进行了对比，二者吻合度较高。这说明本文采用的数值模拟方法具有可行性，数值模拟结果可靠。基于此，本文采用数值模拟方法分析了不同来流速度和迎流角度对增设倾斜侧板的人工鱼礁体流场效应的影响，并探讨了其上升流和背涡流特性参数的变化情况，得到如下结论：
(1) 增设倾斜侧板可以明显改善礁体周围的流场效应。当来流受倾斜侧板的作用向上流动且流速增大时，会产生抬升效应，为增殖放流的生物群提供丰富的营养物质。同时，礁体内部增设的倾斜导板还有效阻止了水流入，降低礁内及礁后的流速，为海洋生物提供短暂栖息的场所。
(2) 当迎流角度为0°且来流速度为0.8 m/s时，增设倾斜侧板的礁体结构的上升流和背涡流的相对体积分别是未增设倾斜侧板结构的4.51和9.54倍。这表明增设倾斜侧板的优化方式对于上升流和背涡流都具有明显的提高效果，在礁体上方生成的上升流范围和礁后生成的背涡流范围均显著扩大。
(3) 在相同迎流角度下，随着来流速度的增大，礁体生成的上升流和背涡流相对体积均增大，当来流速度为0.8 m/s时，礁体的流场效应达到最优，此时上升流和背涡流的相对体积分别达到25.01和1.06。
(4) 在相同来流速度下，迎流角度为45°时，礁体的流场效应最优。较其他迎流角度，礁体在迎流角度为45°时产生的上升流相对体积最大可增大27%，产生的背涡流水平跨度最大可达到礁体边长的3.65倍。此外，礁体在6种迎流角度下的抗滑移安全系数均大于1.2，其中迎流角度为75°时抗滑移安全系数最大，礁体稳定性最强。
综上所述，在建设礁区选择增设倾斜侧板的人工鱼礁体结构进行投放时，建议选择来流速度较大的海域作为建设地址，迎流角度选择45°最有利于上升流和背涡流的生成，此时礁体的流场效应更佳。本文研究结果可为人工鱼礁体的设计提供参考。
| [1] |
贾晓平, 陈丕茂, 唐振朝, 等. 人工鱼礁关键技术研究与示范[M]. 北京: 海洋出版社, 2011: 30-33. Jia X P, Chen P M, Tang Z C, et al. Research and Demonstration of Key Technology of Artificial Reefs[M]. Beijing: Ocean Press, 2011: 30-33. (  0) |
| [2] |
唐衍力, 龙翔宇, 王欣欣, 等. 中国常用人工鱼礁流场效应的比较分析[J]. 农业工程学报, 2017, 33(8): 97-103. Tang Y L, Long X Y, Wang XX, et al. Comparative analysis on flow field effect of general artificial reefs in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 97-103. ( 0) |
| [3] |
胡聪, 毛海英, 王开睿. 圆筒型鱼礁体纵横布设间距下的水动力特性研究[J]. 海洋科学进展, 2022, 40(1): 154-164. Hu C, Mao H Y, Wang K R. Hydrodynamic characteristics under different longitudinal and transverse layout spacing of cylindrical reefs[J]. Advances in Marine Science, 2022, 40(1): 154-164. ( 0) |
| [4] |
郑延璇, 梁振林, 关长涛, 等. 等边三角型人工鱼礁礁体结构设计及其稳定性[J]. 渔业科学进展, 2014, 35(3): 117-125. Zheng Y X, Liang Z L, Guan C T, et al. Structure design and stability of the equilateral triangle artificial reef[J]. Progress in Fishery Sciences, 2014, 35(3): 117-125. ( 0) |
| [5] |
于定勇, 王逢雨, 张彩霞, 等. 梯型台人工鱼礁体流场效应数值研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2020, 50(12): 135-143. Yu D Y, Wang F Y, Zhang C X, et al. Research on flow field around trapezoidal artificial reefs[J]. Periodical of Ocean University of China, 2020, 50(12): 135-143. DOI:10.16441/j.cnki.hdxb.20180190 ( 0) |
| [6] |
张硕, 张世东, 初文华, 等. 六边形开口方形人工鱼礁水动力性能模型实验[J]. 水产学报, 2020, 44(11): 1903-1912. Zhang S, Zhang S D, Chu W H, et al. Model experiment of hydrodynamic performance of square artificial reefs with hexagonal openings[J]. Journal of Fisheries of China, 2020, 44(11): 1903-1912. DOI:10.11964/jfc.20190911987 ( 0) |
| [7] |
郭禹, 章守宇, 林军. 基于单位鱼礁规模的米字型人工鱼礁流场效应定量研究[J]. 中国水产科学, 2020, 27(5): 559-569. Guo Y, Zhang S Y, Lin J. Quantitative study on the flow field effect of Mi-zi artificial reefs based on unit reef scale[J]. Journal of Fishery Sciences of China, 2020, 27(5): 559-569. ( 0) |
| [8] |
方继红, 林军, 杨伟, 等. 双层十字翼型人工鱼礁流场效应的数值模拟[J]. 上海海洋大学学报, 2021, 30(4): 743-754. Fang J H, Lin J, Yang W, et al. Numerical simulation of flow field effect around the double-layer cross-wing artificial reef[J]. Journal of Shanghai Ocean University, 2021, 30(4): 743-754. ( 0) |
| [9] |
李磊, 陈栋, 彭建新, 等. 3种人工鱼礁模型对黑棘鲷的诱集效果研究[J]. 海洋渔业, 2018, 40(5): 625-631. Li L, Chen D, Peng J X, et al. On the attractive effects of three artificial reef models for Sparus macrocephlus[J]. Marine Fisheries, 2018, 40(5): 625-631. DOI:10.3969/j.issn.1004-2490.2018.05.013 ( 0) |
| [10] |
刘心媚, 郑艳娜, 陈昌平, 等. 框架型与沉箱型人工鱼礁绕流特性的数值模拟[J]. 大连海洋大学学报, 2019, 34(1): 133-138. Liu X M, Zheng Y N, Chen C P, et al. Numerical simulation of flow around frame and caisson artificial reef models[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2019, 34(1): 133-138. ( 0) |
| [11] |
郭禹, 秦传新, 章守宇. 基于结构差异性正方体鱼礁的流场效应研究[J]. 渔业科学进展, 2022, 43(2): 1-10. Guo Y, Qin C X, Zhang S Y. Flow field effect of cube reef monocase of different structure[J]. Progress in Fishery Sciences, 2022, 43(2): 1-10. ( 0) |
| [12] |
张硕, 孙满昌, 陈勇. 不同高度混凝土模型礁上升流特性的定量研究[J]. 大连水产学院学报, 2008, 23(5): 353-358. Zhang S, Sun M C, Chen Y. Quantitative analysis of upwelling current features of a artificial concrete reef with different height[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2008, 23(5): 353-358. DOI:10.3969/j.issn.1000-9957.2008.05.006 ( 0) |
| [13] |
Wang G, Wan R, Wang X, et al. Study on the influence of cut-opening ratio, cut-opening shape, and cut-opening number on the flow field of a cubic artificial reef[J]. Ocean Engineering, 2018, 162: 341-352. DOI:10.1016/j.oceaneng.2018.05.007 ( 0) |
| [14] |
Nie Z, Zhu L, Xie W, et al. Research on the influence of cut-opening factors on flow field effect of artificial reef[J]. Ocean Engineering, 2022, 249: 110890. DOI:10.1016/j.oceaneng.2022.110890 ( 0) |
| [15] |
Jiang Z, Liang Z, Zhu L, et al. Numerical simulation of effect of guide plate on flow field of artificial reef[J]. Ocean Engineering, 2016, 116: 236-241. DOI:10.1016/j.oceaneng.2016.03.005 ( 0) |
| [16] |
毛海英, 胡聪, 于定勇, 等. 基于流场仿真的导流型鱼礁体组合优化研究[J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2022, 61(4): 723-730. Mao H Y, Hu C, Yu D Y, et al. Optimization study of diversion reef assemblage based on the numerical simulation of flow field[J]. Journal of Xiamen University(Natural Science), 2022, 61(4): 723-730. ( 0) |
| [17] |
戚福清, 林军, 张清雨. 不同侧板结构对八棱柱型人工鱼礁流场效应影响的研究[J]. 水产学报, 2023, 47(12): 176-191. Qi F Q, Lin J, Zhang Q Y. Influence of different side plate structures on effects of flow field of octagonal prism artificial reef[J]. Journal of Fisheries of China, 2023, 47(12): 176-191. ( 0) |
| [18] |
王者也, 李爽. 基于大涡模拟与被动示踪物模型的人工鱼礁数值研究[J]. 海洋与湖沼, 2021, 52(6): 1376-1387. Wang Z Y, Li S. Numerical simulation of cubic artificial reef under large eddy in passive scalar model[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2021, 52(6): 1376-1387. ( 0) |
| [19] |
谭赛飞, 王选志, 张美玲, 等. 长方体框架型人工鱼礁的流场效应[J/OL]. 应用力学学报, 2023: 1-13[2023-03-01]. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YYLX2023022400B.htm. Tan S F, Wang X Z, Zhang M L, et al. Flow field effect of cuboid frame artificial reef[J/OL]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2023: 1-13[2023-03-01]. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YYLX2023022400B.htm. ( 0) |
| [20] |
成泽毅, 叶灿, 高宇, 等. 不同布设间距和来流速度下方型人工鱼礁上升流效应的数值模拟[J]. 海洋与湖沼, 2023, 54(3): 665-678. Cheng Z Y, Ye C, Gao Y, et al. Scheme analysis of upwelling effects in artificial reefs in different layouts[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2023, 54(3): 665-678. ( 0) |
| [21] |
Jiang Z, Liang Z, Tang Y, et al. Numerical simulation and experimental study of the hydrodynamics of a modeled reef located within a current[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2010, 28(2): 267-273. DOI:10.1007/s00343-010-9228-6 ( 0) |
| [22] |
薛大文, 庞聪利, 潘昀. 立方对角面开孔人工鱼礁流场效应的数值模拟[J]. 水产学报, 2024, 48(3): 1-16. Xue D W, Peng C L, Pan Y. Numerical simulation of flow field effect of cube-diagonal hole-opening artificial reefs[J]. Journal of Fisheries of China, 2024, 48(3): 1-16. ( 0) |
| [23] |
匡翠萍, 郑宇华, 顾杰, 等. 透水鱼礁型潜堤内部流场及绕流特性模拟[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2023, 51(7): 1073-1084. Kuang C P, Zheng Y H, Gu J, et al. Simulation methods of inner flow field and flow characteristics induced by perforated reef-type breakwater[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2023, 51(7): 1073-1084. ( 0) |
| [24] |
戚福清. 八棱柱型人工鱼礁结构优化及层化流体条件下的流场效应研究[D]. 上海: 上海海洋大学, 2021. Qi F Q. Study on the Optimization of Octagonal Prism Artificial Reef Structure and the Flow Field Effect Under the Condition of Stratified Fluid[D]. Shanghai: Shanghai Ocean University, 2021. ( 0) |
| [25] |
Zhang J, Zhu L, Liang Z, et al. Numerical study of efficiency indices to evaluate the effect of layout mode of artificial reef unit on flow field[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2021, 9(7): 770. DOI:10.3390/jmse9070770 ( 0) |
| [26] |
Jung S, Na W B, Kim D. Rugosity and blocking indices of artificial reefs and their correlations with wake volume[J]. Ocean Engineering, 2022, 261: 112204. DOI:10.1016/j.oceaneng.2022.112204 ( 0) |
| [27] |
郭禹. 基于流场仿真实验的人工鱼礁规模效应研究[D]. 上海: 上海海洋大学, 2020. Guo Y. Research on Scale Effect of Artificial Reefs Based on the Flow Field Simulation Experiment[D]. Shanghai: Shanghai Ocean University, 2020. ( 0) |
| [28] |
顾君. 不同结构人工鱼礁模型最大静摩擦系数及六边形开孔方形鱼礁稳定性的试验研究[D]. 上海: 上海海洋大学, 2023. Gu J. Experimental Study on the Maximum Static Friction Coefficient of Artificial Reef Models with Different Structures and the Stability of Square Reef[D]. Shanghai: Shanghai Ocean University, 2023. ( 0) |
| [29] |
陈小艳, 谢琳, 王发云. 三亚湾海洋牧场人工鱼礁结构设计及稳定性分析[J]. 海洋科学, 2017, 41(10): 19-23. Chen X Y, Xie L, Wang F Y. Structure design and stability analysis of the artificial reef in marine ranching of Sanya Bay[J]. Marine Sciences, 2017, 41(10): 19-23. ( 0) |
| [30] |
黄祥鹿, 陆鑫森. 海洋工程流体力学及结构动力响应[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 1992. Huang X L, Lu X S. Hydrodynamics and Structural Dynamic Response in Marine Engineering[M]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press, 1992. ( 0) |
| [31] |
于定勇, 杨远航, 李宇佳. 不同开口比人工鱼礁体水动力特性及礁体稳定性研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2019, 49(4): 128-136. Yu D Y, Yang Y H, Li Y J. Research on hydrodynamic characteristics and stability of Artificial Reefs with different opening ratios[J]. Periodical of Ocean University of China, 2019, 49(4): 128-136. DOI:10.16441/j.cnki.hdxb.20160322 ( 0) |
| [32] |
王晓鹏. 波浪作用下人工鱼礁水动力特性的数值研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2015. Wang X P. Numerical Study of Hydrodynamic Properties of Artificial Reefs Under Wave Action[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2015. ( 0) |
| [33] |
张永波, 王继业, 辛峻峰. 人工鱼礁工程技术进展研究[J]. 渔业现代化, 2016, 43(6): 70-75. Zhang Y B, Wang J Y, Xin J F. Research on the progress of artificial reef engineering technology[J]. Modernization of Fisheries, 2016, 43(6): 70-75. DOI:10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.014 ( 0) |