人工鱼礁是养护海洋生态环境和修复海洋资源的有效手段之一^[1]。人工鱼礁在水环境中的物理作用过程是鱼礁生态效果产生的基础。上升流能把海域底层的营养盐向表层水体输送，加快营养物质循环速度，提高海域的基础饵料水平，使礁区成为鱼类的聚集地，人工鱼礁增殖渔业资源的生态效应主要是通过人工鱼礁的流场效应来实现的^{[2, 3, 4, 5, 6]}；鱼礁尾域流速缓慢，在躲避强潮流时鱼类喜好栖息于流速缓慢的涡流区，涡流还可造成浮游生物、甲壳类和鱼类的物理性聚集。人工鱼礁形成的上升流和背涡流的规模及强度可表征鱼礁对水环境物理作用的强弱，故可表征鱼礁生态效果的优劣。目前关于人工鱼礁的研究主要涉及生物和非生物因子^[7]、生产力^[8]、动植物区系时空变化^[9]、三大效益^[10]、选址及布局^[11]、休闲渔业^[12]、增殖资源^[13]等角度。随着计算流体动力学(CFD)软件的日益发展与应用，CFD软件逐渐用于探究人工鱼礁周围的非定常、不稳定钝体绕流问题，以找到该类问题的数值解^{[14, 15]}。

关于人工鱼礁流场效应的研究多数集中在定性研究层面上，对于镂空型梯形台和方型鱼礁在相同模拟工况下流场效应的差异及不同组合下鱼礁数量对周围流场影响的研究尚未见报道。本文应用CFD软件对中空结构梯形台鱼礁和方型鱼礁(福建近岸海域工程投放礁型)在非定常流作用下的三维流场进行了数值模拟实验，以揭示两种人工鱼礁水平流场和上升流分布情况及其强度，分析了单体鱼礁和组合鱼礁的流场差异，评估了两类典型鱼礁在相同模拟工况下流场的差异，对于典型鱼礁的优化布置和类型选择具有指导意义，为探究镂空型鱼礁及鱼礁迎流面开口比对流场效应的影响提供实际模拟案例，以期为评价实际海域人工鱼礁的环境功能和流场效应提供参考。

三维流场数值模拟实验模拟福建近岸鱼礁投放区的典型水深15 m，来流速度取岛礁海域人工鱼礁区的典型大潮流速0.5 m/s，梯形台鱼礁模型外形尺寸为3 m×3 m×3 m(底面长×底面宽×高)、方型鱼礁模型外形尺寸为3 m×3 m×3 m(长×宽×高)，图1为两种鱼礁模型的效果图。组合鱼礁示意图如图2。水流方向从左至右，坐标原点位于计算域进口底边中点，计算域进口至礁体迎流面的距离为3倍礁体长度，计算域出口至礁体背流面的距离为15倍礁体长度，计算域的两侧面至邻近礁体中心的距离为3.5倍礁体宽度，组合鱼礁礁距均为1倍礁体长度，均匀分布，鱼礁的计算区域如图3。

图1(Fig.1)

图1 人工鱼礁模型效果图 Fig.1 The rendering of model reef

图2(Fig.2)

图2 组合鱼礁示意图 Fig.2 Sketch of reef assemblage

图3(Fig.3)

图3 鱼礁模型计算区域 Fig.3 Model reef in computational domain

由于流动分离及漩涡的演变发展，人工鱼礁绕流可视为典型的非定常、不稳定流动过程。其控制方程采用连续性方程和不可压缩流动的N-S方程，湍流模型选用LES模型。

计算区域入口设为速度入口条件；计算区域出口设为自由出流条件；计算区域的两侧和顶面均设为对称边界条件；计算区域的底面和鱼礁壁面均设为无滑移边界条件。计算区域采用0.3 m的非结构化四面体网格，靠近鱼礁的局部区域对网格进行加密处理，精度可达数十厘米级，足以达到对礁体的分辨率。

图4(Fig.4)

图4 网格剖面图 Fig.4 The grid section

计算在ANSYS FLUENT 12.1平台上完成。求解器选用适用于不可压缩及低速流动流体的全隐式的分离求解器，压力与速度耦合采用SIMPLIC算法进行迭代，方程离散采用QUICK格式，计算收敛中所有的物理量残差值取为10^-5，上升流和背涡流范围量值采用流场计算稳定100 s(计算结果显示，礁体绕流产生的涡旋可在100 s内移动出计算区域，且能量基本耗散)内的均值。

基于上述数值方法，模拟得到了来流速度为0.5 m/s下单体鱼礁、双组合鱼礁、四组合鱼礁模型的三维绕流场。图5为不同组合情况下y=0、y=3平面(通过礁体中心)上的速度矢量分布图、图6为不同组合情况下y=0、y=3平面(通过礁体中心)上的速度分布图，图7为不同组合情况下z=1.5平面(通过礁体中心)上的速度矢量分布图、图8为不同组合情况下z=1.5平面(通过礁体中心)上的速度分布图。取水流的垂向速度分量与来流速度V₀之比大于或等于5%的水域作为上升流区域^[16]；取水流x方向上速度绝对值小于70%来流速度V₀的水域作为背涡流区域^{[17, 18]}。上升流规模用上升流的最大高度H_s加以衡量，而上升流强度用最大上升流速V_max和上升流域内的上升流均值V_ave加以衡量；背涡流规模用背涡流区最大长度L_b、背涡流区最大宽度W_b加以衡量，而背涡流强度用背涡流区的水平速度均值U_ave加以衡量，本研究中不考虑流速变急的空间范围。

表1(Tab. 1)

表1 不同组合情况下鱼礁模型上升流、背涡流规模和强度Tab. 1 The scale and intensity of upwelling and wake vortex region in different combination of reefs 礁体类型the reef type 礁体数量the reef number 上升流规模和强度the scale and intensity of upwelling 背涡流规模和强度the scale and intensity of wake vortex region Hs/礁高 Vmax/V0 Vave/V0 Lb/礁高 Wb/礁宽 Uave/ V0 梯形台鱼礁trapezoidal reef 1 2.12 0.67 0.19 9.04 1.40 0.36 2 2.24 0.58 0.15 4.17 1.49 0.35 4 2.49 0.60 0.15 4.06 1.61 0.35 方型鱼礁square reef 1 2.22 0.58 0.17 5.28 1.75 0.35 2 2.30 0.56 0.15 3.90 2.00 0.30 4 2.63 0.61 0.16 4.06 1.99 0.32

表1 不同组合情况下鱼礁模型上升流、背涡流规模和强度 Tab. 1 The scale and intensity of upwelling and wake vortex region in different combination of reefs

图5(Fig.5)

图5 模型礁体纵向中轴断面(xoz)速度矢量分布图 Fig.5 Velocity vectorgraph on center longitudinal section(xoz)of model reef

图6(Fig.6)

图6 模型礁体纵向中轴断面z向速度分布图 Fig.6 The upwelling velocity contour on center longitudinal section of model reef

图7(Fig.7)

图7 模型礁体横向中轴断面(xoy)速度矢量分布图 Fig.7 Velocity vectorgraph on center transverse section(xoy) of model reef

图8(Fig.8)

图8 模型礁体横向中轴断面x向速度分布图 Fig.8 Horizontal velocity contour on center transverse section of model reef

由图5可知，当水流靠近礁体迎流面时，水流抬升从而产生上升流。通过分析过礁体模型中心垂线方向速度分布，可得到不同组合情况下梯形台鱼礁和方型鱼礁上升流的规模和强度。由表1、图6可知，梯形台鱼礁上升流区的最大高度为礁高的2.12～2.49倍、方型鱼礁上升流区的最大高度为礁高的2.22～2.63倍，由于梯形台鱼礁迎流面坡度的存在对自由来流的加速起到了一定的缓解作用(相对垂直放置的鱼礁迎流面)，梯形台鱼礁的阻流作用要稍弱于方型鱼礁，因此在相同来流工况下，梯形台鱼礁上升流区的最大高度比方型鱼礁上升流区的最大高度稍小；由于组合鱼礁之间有交互效应产生，对于同种礁体上升流区的最大高度与礁高之比随着鱼礁数量的增加而有所增大。通过分析y=0、y=3平面上的z方向速度分量分布，可得出不同组合情况下，梯形台鱼礁的上升流区最大速度与来流速度之比约为0.58～0.67、方型鱼礁的上升流区最大速度与来流速度之比约为0.56～0.61，梯形台鱼礁的上升流区最大速度与来流速度的比值大于方型鱼礁的上升流区最大速度与来流速度的比值；梯形台鱼礁上升流区的平均速度与来流速度之比约为0.15～0.19，方型鱼礁上升流区的平均速度与来流速度之比约为0.15～0.17，对于两类礁体模型来说单体鱼礁上升流区的平均速度与来流速度比值大于组合鱼礁上升流区的平均速度与来流速度的比值。整体来说，在不同鱼礁组合、相同模拟工况下，梯形台鱼礁形成的上升流规模比方型鱼礁形成的上升流规模要小，而上升流强度梯形鱼礁要大于方型鱼礁。

从图5还可以看出，对于单体鱼礁来说，由于中空的透水性，在靠近鱼礁的背流面处形成了一个缓流区域，该区域内的水流方向与来流方向相同，并没有形成明显的漩涡。对于组合鱼礁来说，在梯形台鱼礁之间形成了明显的漩涡，最大高度与鱼礁高度相当；在方型鱼礁背流面处形成了明显的顺时针漩涡，漩涡水平尺度约为礁体高度的2.5倍，刘同渝等^[19]针对梯形、半球形、三角锥体、堆叠式鱼礁模型做了水槽和烟风洞实验，结果显示，鱼礁背部为涡流区，影响范围可达礁体长度的2~3倍，越靠近鱼礁部分涡流就越大。这些研究结果基本与本实验结果相符合。

从图7可知，对于组合鱼礁来说，在方型鱼礁背流面形成了复杂的双涡结构，数值模拟实验结果与TANEDA^[20]采用流体显示技术，在低雷诺数时圆柱绕流产生的圆柱尾涡(双涡)的结果相吻合，TANEDA的实验结论目前仍是数值模拟工作者验证算法准确性的标准之一。由表1、图8可知，对于单体鱼礁来说，梯形台鱼礁背涡流区的最大长度约为礁高的9.04倍、方型鱼礁背涡流区的最大长度约为礁高的5.28倍，虞聪达等^[21]对人工船礁数值试验的研究表明，在不同来流速度下，背涡流区长度与礁高之比为4.5～13.0，潘灵芝等^[22]的研究结果也表明，背涡流区水平尺度与礁高之比为8.7～9.6，这些研究结果基本与本实验结果相符合。对于组合鱼礁来说，梯形台鱼礁背涡流区的最大长度为礁高的4.06～4.17倍、方型鱼礁背涡流区的最大长度为礁高的3.90～4.06倍，不同组合情况下两种鱼礁的背涡流区长度没有明显差异，由于礁体之间的遮蔽作用(来流方向)，组合鱼礁所产生的背涡流区长度要小于单体鱼礁。梯形台鱼礁背涡流区的最大宽度为礁宽的1.40～1.61倍、方型鱼礁背涡流区的最大宽度为礁宽的1.75～2.00倍，梯形台鱼礁的背涡流区最大宽度与礁宽之比小于方型鱼礁的背涡流区最大宽度与礁宽之比。梯形台鱼礁背涡流区的平均速度为来流速度的0.35～0.36倍、方型鱼礁背涡流区的平均速度为来流速度的0.30～0.35倍，梯形台鱼礁背涡流区的平均速度与来流速度之比大于方型鱼礁背涡流区的平均速度与来流速度之比，对于两类礁体模型来说单体鱼礁背涡流区的平均速度与来流速度比值大于组合鱼礁背涡流区的平均速度与来流速度的比值。整体来说，在不同鱼礁组合、相同模拟工况下，梯形台鱼礁形成的背涡流规模比方型鱼礁形成的背涡流规模要小，且梯形台鱼礁背涡流区平均流速大于方型鱼礁背涡流区平均流速，因此方型组合鱼礁能实现更好的背涡流调控作用。

图9(Fig.9)

图9 不同计算域背涡流速度分布图 Fig.9 The velocity contour of wake vortex region in different computational domain

由于单体梯形台鱼礁背涡流区的最大长度与礁高之比为9.04，考虑本文模型设置单礁背流面计算域长度为15倍礁长，最大背涡流区长度与计算域设置长度相接近，故此增加礁后计算域为20倍礁长的一个算例与15倍礁长进行对比分析。通过数值计算得出：背流面计算域为20倍礁长时，鱼礁背涡流区的最大长度与礁高之比为8.63，算例结果与本文结果相接近，说明本文计算域足够长，不至于影响计算结果。

基于ANSYS FLUENT 12.1平台，数值模拟了来流速度为0.5 m/s下的中空结构梯形台和方型鱼礁(不同组合方式)周围的三维流场。通过分析过礁体中心的铅垂平面上速度分布及礁体横向中轴断面上速度分布，得出：

(1)在不同鱼礁组合、相同模拟工况下，梯形台鱼礁形成的上升流规模比方型鱼礁形成的上升流规模要小，而上升流强度梯形鱼礁要大于方型鱼礁；梯形台鱼礁形成的背涡流规模比方型鱼礁形成的背涡流规模要小，且梯形台鱼礁背涡流区平均流速大于方型鱼礁背涡流区平均流速，因此方型组合鱼礁能实现更好的背涡流调控作用。

(2)由于方型鱼礁迎流面积大于梯形台鱼礁、方型鱼礁孔隙率小于梯形台鱼礁，且梯形台鱼礁的阻流作用要稍弱于方型鱼礁，开口方式的不同对鱼礁模型上方的流管效应产生影响；方型鱼礁孔隙率较小，其背涡流的回流较强。通过比较分析两类鱼礁形成的上升流区、背涡流区的规模和强度的大小，从流场调控效果来看，在相同模拟工况下，选择中空结构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。