关长涛， 李梦杰， 郑延璇， 李　娇， 崔　勇， 李真真， 王腾腾

(1. 上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306； 2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所，农业部海洋渔业可持续发展重点实验室，青岛市海水鱼类种子工程与生物技术重点实验室， 山东 青岛 266071； 3. 乳山市海洋与渔业局， 山东 威海 264500)



三圆管型人工鱼礁布设间距的数值模拟及物理稳定性研究*

关长涛1,2， 李梦杰1,2， 郑延璇3， 李娇2， 崔勇2， 李真真1,2， 王腾腾1,2

(1. 上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306； 2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所，农业部海洋渔业可持续发展重点实验室，青岛市海水鱼类种子工程与生物技术重点实验室， 山东 青岛 266071； 3. 乳山市海洋与渔业局， 山东 威海 264500)

本文采用RNG K-ε湍流模型和SIMPLEC数值模拟方法，分析了不同雷诺数条件下，布设间距和摆放方式对三圆管型人工鱼礁流场效应的影响。研究显示：采用FLUENT软件模拟，雷诺数能较好地反应人工鱼礁上升流和背涡流的分布情况，上升流的规模和强度随雷诺数的增大而增加，背涡流随雷诺数变化的趋势不明显。三圆管型人工鱼礁横向组合方式下，2个单位礁布设间距等于礁体尺寸时，获得的上升流和背涡流的规模和强度最大；纵向组合方式下，2个单位礁布设间距为礁体尺寸的1.5～2.0倍时，获得的上升流和背涡流的规模和强度最大。在不同实验流速和波况下三圆管型人工鱼礁的抗滑移系数、抗翻滚系数均大于1。研究结果表明，数值模拟能够较好地反应布设间距对礁体周围流场效应的影响，可为人工鱼礁的实际投放提供理论参考。

人工鱼礁； 流场效应； 布设间距； 数值模拟 ； 物理稳定性

引用格式：关长涛， 李梦杰， 郑延璇， 等. 三圆管型人工鱼礁布设间距的数值模拟及物理稳定性研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2016,46(9)： 9-17.

GUAN Chang-Tao, LI Meng-Jie, ZHENG Yan-Xuan, et al. Numerical simulation of disposal space and analysis on physical stability of three-tube artificial reefs [J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(9)： 9-17.

人工鱼礁是在经过科学选点的特定海域中设置的构造物，可为水生生物的聚集、索饵、繁殖、生长和避敌提供必要的栖息场所，从而达到改善海域生态环境、保护和增殖渔业资源和提高渔获量的目的[1]。人工鱼礁投放于海底后产生生态效应是通过流场效应、饵料效应和避敌效应实现的。王宏等[2]研究指出，人工鱼礁的流场效应影响着海域的营养盐和初级生产力水平，显著影响鱼礁的生物诱集和增殖功能。

目前，人工鱼礁流场效应的主要研究方法为水槽试验和风洞试验，也有部分使用粒子图像测速技术(PIV)和计算机数值模拟技术。虞聪达等[3]采用数值模拟探讨了多种组合的人工鱼礁的规模大小对于上升流与背涡流的效果影响，并通过该数值模拟对人工船礁的铺设进行了优化。潘灵芝等[4]利用数值模拟量化了单体礁对流场的影响效果。李珺等[5]采用大涡模拟紊流，对按实际尺寸缩小1/10倍的米字型礁单体流场进行三维数值模拟，并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。崔勇等[6]基于计算流体力学原理，模拟了不同流速下方形组合礁体间距对流场的影响，并认为礁体的最佳间距在礁体自身尺寸的1～1.5倍之间。刘洪生等[7]通过风洞实验研究了不同类型的单体礁和正方体组合礁模型的流场效应。刘彦等[8]运用粒子图像测速技术测试了单体星型和双体星型礁体在不同流速下的流场效应，并获得了礁体的流场规模、上升流和背涡流的直观显示效果。关长涛等[9]运用相同的技术测试了不同水流速度下复合 M 型人工鱼礁的二维流场，并取得了较好的效果。

经过多年的投放使用发现圆管型人工鱼礁集鱼效果显著，有良好的生态效应。崔勇[10]等对 5 种不同形状的水泥制鱼礁模型进行刺参诱集试验，发现圆管型模型礁对刺参的平均聚集率最高，与其他 4 种模型礁相比差异显著。

本文以连续性和雷诺平均 (RANS) 方程作为控制方程来研究分析三圆管礁体周围的三维流场变化，在GAMBIT软件中生成四面体非结构化网格单元。礁体、计算域底面和侧面采用默认的无滑移的壁面边界条件，以 (RNG)k-ε湍流模型作为黏滞模型，SIMPLEC算法用于压力-速率耦合。本文对不同布设间距鱼礁周围的流场进行研究，为圆管型人工鱼礁的投放提供理论基础。

1　材料与方法

1.1 PIV模型试验

1.1.1 试验装置试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 PIV波流水槽中进行。水槽由透明玻璃构成，长22m、宽0.45m、高0.6m。试验采用美国TSI公司的 PIV系统, 该系统包含了CCD相机、图像采集卡、激光光源、计算机、同步仪等。示踪粒子选用聚氯乙烯(PVC)粉末，具有良好的跟随性、反光性，试验装置示意图如图 1所示。

图1　实验装置及 PIV 测速系统

1.1.2 礁体模型根据重力相似准则，投放水域平均水深10 m，水槽水深设为H=0.5m，则λ=1/20，故试验中模型尺度比为1∶20，材质为有机玻璃。模型中3个圆管固定成一个整体，该组合礁体结构及排列方式如图2、3所示，其中单个圆管外半径12.5mm，内半径10mm，壁厚2.5mm。本试验中所提到的三圆管型礁体均为叠放固定后的组合礁体(见图2)。2个横向和纵向组合模型礁间距为1.0L，其中L为模型礁体长度，此处L=50mm。

1.1.3 试验方法和内容PIV试验是三维视图，示踪粒子的直径为10μm，密度为 1050kg/m3，将其投入到流体动力水槽中，鱼礁置于水槽的中间测试区域，激光从水槽底部打在模型的中轴面上，使用CCD高速摄像机捕捉粒子跟随流体运动的图像，每个流速采集2次，每次采集50对图像，最后用 Insight 3G 软件对图像进行分析即可得相应流场的流速分布(平均流场分布)。

图2　三圆管型礁体结构

图3　三圆管型礁体间的排列方式

实际海域流速依次设为20、40、60、80、100cm/s，根据重力和紊动阻力相似准则，则其对应的水槽前端试验流速依次设为4.5、9.0、13.5、18.0 和 22.5cm/s。因雷诺数可以反应流体的运动状态，显示流体湍流情况，数值模拟中也主要考虑湍动能和耗散率，故本文中以雷诺数Re作为变量，则对应的雷诺数依次为2.1 ×103、4.2 ×103、6.3 ×103、8.4 ×103和1.0 ×104。

1.2 数值模拟方法

1.2.1 流体动力学方程数值模拟中，将流体假设为不可压缩、定常、黏性流体，控制方程采用由 Yakhot 和 Orzag提出的 RNG k-ε 模型[11]。

1.2.2 数值模拟模型模拟采用的人工鱼礁模型尺寸规格与PIV试验中的一致，礁体距水槽侧壁4倍礁长, 大于礁体的影响宽度,满足试验要求。

1.2.3 计算域和边界条件计算域尺寸根据水槽和模型尺寸选择。计算域尺寸如图4所示：计算域宽度为水槽宽0.45m，高度为水深0.5m，长度为16倍的鱼礁模型尺寸(礁体长以L表示，模型前端5倍礁体长，模型后端10倍礁体长)，保证礁体尾流区的范围在10倍的礁体尺寸。

边界条件设置如下：

(L为模型礁体长度，数值为50mm。Lis the length of reef model, 50mm.)

图4计算域尺寸

Fig.4Reef models in the computational domain

(1)入口边界条件。选择速度入口(5个入口流速)，根据PIV试验的实际测量值确定。

(2)出口边界条件。选择压力出口边界条件，相对静压力。

(3)壁面。鱼礁个体、计算域底面和侧面选择无滑移的壁面边界条件；计算域顶部选择零剪切力的“滑移”壁面，速度与来流速度一致。

1.2.4 网格独立测试对数值模拟进行网格独立性检验，确保数值模拟的精度。由于本文主要研究鱼礁周围的流场变化情况，因此，在纵切面(z=0 m)上选取了某条线(y=0.05m)上的 20 个点，分析在 4 种不同网格数目下，20 个点的流速变化情况。从图5中可以看出，各个点的流速受网格数目的影响较小。因此，在本研究中，网格数目一般在500000～1100000之间。

(z=0 m，y=0.05 m)

2　结果与分析

本文在分析人工鱼礁流场效应时主要考虑鱼礁周围上升流和背涡流的分布情况，把水流速度沿垂直方向的速度分量大于或等于0.1倍来流速度的区域定义为上升流区域, 上升流高度以鱼礁底部为零点计算，背涡流面积是根据礁体后部回流区的长度和旋涡的高度计算得到。

布设间距处用数值模拟方法分析了2个单位礁横向组合礁间距为0.5L、1.0L、1.5L和 2.0L，以及纵向组合礁间距为0.5L、1.0L、1.5L、2.0L、2.5L和 3.0L的礁体流场效应，其中L=50mm。

2.1 单个三圆管礁体的流场分布

鱼礁模型在纵向断面上(Z=0m)雷诺数Re=1.0×104的试验结果和数值模拟结果分别如图6、7所示。在矢量图和云图中礁体的上方有非常明显的上升流，礁体后方也有明显的背涡流，结果显示试验结果和数值模拟结果中的流速分布基本一致，但是背涡流形状大小不一样。

根据郑延璇等[12]分析得出3个叠放的圆管形礁体的最大上升流流速与来流速度的比值、上升流高度与礁高比值、上升流面积与迎流面积比值、背涡流面积与迎流面积比值4组流场的评价指标的计算值和测量值的相对误差均低于20%，试验结果和数值模拟结果基本一致，也就是说数值模拟结果能够较好的反应人工鱼礁周围的流场分布。这对接下来用数值模拟方法研究布设间距对三圆管礁体流场效应的影响提供了依据。

图8是单个的三圆管礁体在不同雷诺数下的上升流与背涡流规模和强度的数值模拟结果。

(1)上升流图8(a)～(c)是单个三圆管礁体的上升流的规模与强度，从图中可以看出，最大上升流流速、上升流高度与礁高比值、上升流面积与迎流面积比值均随着雷诺数的增大而增加。上升流最大流速增幅比较快，上升流面积增幅比较平缓，与迎流面积比值在0.68～0.86之间，上升流高度在雷诺数从6.3×103增加到8.4×103时增幅比较快。

(a)试验结果Result of test(b)数值模拟结果Result of numerical simulation

图6三圆管礁在Re=1.0 ×104时流场分布矢量图

Fig.6Flow field velocity vector diagram for single three-tube artificial reef atReof 1.0 ×104

(a)试验结果Result of test　　　　　　　　　　(b)数值模拟结果Result of numerical simulation

(2)背涡流图8(d)是单个三圆管礁体的背涡流的规模与强度，从图中可以看出背涡流面积随着雷诺数的增大呈现出先增大后减小而后又增大的趋势，在雷诺数为8.4×103时有所减小，总体上是一种增大的趋势。

2.2 横向组合间距对三圆管型礁周围流场的影响

图9为单体礁和2个横向组合不同布设间距礁体在5种不同雷诺数下的流场效应的数值模拟结果，各指标的变化情况如下： 随着布设间距的增大，最大上升流流速、上升流高度、上升流面积均呈先增后减的趋势，且在1.0L的间距下取得最大值，但在小雷诺数约束条件下，最大上升流流速和上升流高度先增后减趋势不明显；背涡流面积同样在1.0L的间距下取得最大值，但随布设间距的增大未表现出明显的变化规律，且与单体礁的背涡流面积相近。在布设间距一定时，随着雷诺数的增加，最大上升流流速、上升流高度、上升流面积逐渐增加，上升流面积增幅较小，且与单体礁的变化趋势较一致；背涡流面积变化趋势未表现出明显的变化规律。

2.3 纵向组合间距对三圆管型礁周围流场的影响

图10为单体礁和2个纵向组合不同布设间距礁体在5种不同雷诺数下的流场效应的数值模拟结果，各指标的变化情况如下：在雷诺数一定时，随着布设间距的增加，最大上升流流速、上升流高度均呈现先增后减的趋势，且在1.5L时达到最大；上升流面积呈现先增后减的趋势，但较为平缓，与单体礁的变化趋势一致，且在间距为 1.5L时达最大值；两礁体间的背涡流面积在 0.5L时最小，2.0L时达到最大，也是先增大后减小的趋势；两礁体后的背涡流面积均小于单体礁，原因是前一个礁体的遮挡作用导致后一礁体的作用明显减弱。在布设间距一定时，随着雷诺数的增加：最大上升流流速、上升流高度与礁高比值、上升流面积与迎流面积比值也逐渐增大，与单体礁变化趋势比较一致，但上升流面积在3.0L时是先减小后增大；背涡流面积变化趋势未表现出明显的变化规律。

图8　单个的三圆管礁体在不同雷诺数下的上升流与背涡流规模和强度

图9　单个和横向组合礁体在不同雷诺数下的上升流与背涡流规模和强度

图10　单个和纵向组合礁体在不同雷诺数下的上升流与背涡流规模和强度

2.4 三圆管型礁稳定性的分析

为使礁体在水中能保持稳定，本文通过物理模型实验测定了三圆管型礁体模型在波浪和水流中的受力情况。底质采用中砂粒径，其摩擦力系数为0.614，模型比尺为1∶20。测定礁体模型在5种来流流速和8种波况下的阻力，具体流速和波况以及在各种工况下的受力情况如表1、2所示。

表1　5种不同流速下模型所受水流力

Note: ①Sea area velocity；②Test velocity；③Current force

表2　8种不同波况下模型所受波浪力

注：HT：实验波高Test wave height；TT: 实验波周期Test wave cycle；HS: 海域波高Sea area wave height；TS: 海域波周期Sea area wave cycle。

①Wave conditions；②Wave force

2.4.1 礁体抗滑移安全性校核礁体不发生滑移，则礁体与海底间的最大静摩擦力大于礁体所受的流体力，即抗滑移系数S1>1,其计算公式如下：

(1)

式中：W为三圆管礁体模型重量，0.6615 N；μ为最大静摩擦系数，此处取中砂粒径0.614；ρ为海水密度，1 025kg/m3；σ为单位体积礁体的重量，2 570kg/m3；Fmax为礁体受到的水流阻力和波浪阻力，分析计算结果如表1、2所示。

2.4.2 礁体抗翻滚安全性校核礁体不发生翻滚，则礁体所受重力和浮力的合力矩M1要大于礁体所受的最大流体力力矩M2，即抗翻滚系数S2>1,其计算公式如下：

(2)式中：W为三圆管礁体模型重量，0.661 5N；ρ为海水密度，1 025kg/m3；σ为单位体积礁体的重量，2570kg/m3；lw为翻倒的回转中心到重心的水平距离，0.025m；h0为流体作用力的高度，0.0233m；Fmax为礁体受到的水流阻力和波浪阻力。

根据以上分析，计算出礁体模型在5种流速和8种波况下的稳定性情况(见表3和4)。

表3　礁体模型在5种流速下的稳定性分析

Note:①Test velocity；②Current force；③Slip-resistance coefficient S1；④Rolling-resistance coefficient S2

表4　礁体模型在8种波况下的稳定性分析

注：HT: 实验波高Test wave height；TT: 实验波周期Test wave cycle。

①Wave conditions；②Wave force；③Slip-resistance coefficient S1；④Rolling-resistance coefficient S2

根据礁体模型在实验工况下的受力分析发现，礁体所受水流力和波浪力均随着来流速度、波高和波周期的增加而增加，相应地其稳定性也逐渐减小，但总体上礁体在不同流速和波况下的抗滑移系数、抗翻滚系数均是大于1的，即礁体模型在水流和波浪中能保持其稳定性，不会发生滑移翻滚现象。

3　讨论

本文以三圆管型礁体为例，基于Fluent6.3.26数值模拟实验方法比较分析了不同布设间距下的礁体周围的流场变化情况，并分析了礁体模型在水流中的稳定性。

随着雷诺数的增大，礁体周围的最大上升流流速、上升流高度和上升流面积均增大，说明上升流的规模和强度随雷诺数的增大而增大，这与刘洪生等[13]研究的上升流规模随来流速度的增大而增大一致；背涡流面积随雷诺数变化的规律不明显，其原因可能是因为表示速度的箭头的颜色、长度不一样，另外还可能与粒子的浓度及密度、水槽的震荡等有关[14]。

横向组合时，上升流和背涡流的规模和强度在礁间距为1.0L时最大，即2个单位礁布设间距为 1.0L时可获得上升流与背涡流的规模和强度最大；纵向组合时，上升流的规模和强度在1.5L时达到最大值，背涡流的规模和强度在2.0L时达到最大值，即2 个单位礁布设间距为 1.5L～2.0L时可获得上升流与背涡流的规模和强度最大，其中第二个单位礁的背涡流规模要明显小于前面一个单位礁的规模，可能的原因是前面的单位礁削弱了后面礁体的背涡流，即纵向摆放形式下对背涡流影响范围较大。

因此，三圆管型的组合礁体在布设间距为横向1.0L，纵向1.5～2.0L时可获得最大规模与强度的上升流和背涡流。这与刘洪生等[13]分析的模型间距在1.0～1.5L间距时的流场变化最大基本一致。在圆管型鱼礁投放时，可以参考此结论进行鱼礁区的规划布置。

本文对单体三圆管型人工鱼礁模型进行了稳定性分析，该礁体模型在水流和波浪中能保持其稳定性，即本研究讨论的横向组合与纵向组合礁体稳定性风险较小，对实际人工鱼礁区的规划和投放具有启示意义。

4　结语

本文采用数值模拟方法模拟了布设间距对三圆管型礁体流场效应的影响，比较分析出了最佳礁间距，并与已有的研究结果进行了比较，说明了数值模拟能够较好地反应布设间距对礁体周围流场效应的影响，并作了物理稳定性的分析验证，可以为人工鱼礁在实际海域的投放布局提供一定的理论依据，同时也为人工鱼礁的设计提供了有价值的参考。目前，还需要用模型试验去验证完善数值模拟方法，同时与人工鱼礁的实际投放情况相比较，结合礁体的物理稳定性和生态效应，综合评估礁体布局，为人工鱼礁的建设和发展提供参考依据。

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责任编辑朱宝象

Numerical Simulation of Disposal Space and Analysis on Physical Stability of Three-Tube Artificial Reefs

GUAN Chang-Tao1, 2, LI Meng-Jie1,2, ZHENG Yan-Xuan3, LI Jiao2, CUI Yong2,LI Zhen-Zhen1,2, WANG Teng-Teng1,2

(1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Qingdao Key Laboratory for Marine Fish Breeding and Biotechnology, Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture, Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Rushan City Ocean and Fishery Administration, Weihai 264500, China)

The study of flow field effect and physical stability on artificial reef is very important for the constuction of artificial reefs. As a theoretical discussion, the intensity and scale of combined three-tube artificial reef with different layouts at five Reynolds numbers (Re) were numerically investigated using the RNG k-ε turbulent model and SIMPLEC algorithm in this study. The three dimensional flow field around three-tube artificial reefs was analyzed by using the continuity and Reynolds averaged (RANS) equations, generating tetrahedral unstructured mesh elements in GAMBIT. The bottom surface and the side surface used boundary conditions with no-slipping wall, the viscous model used k-ε turbulence model, and the pressure-velocity coupling used SIMPLEC algorithm. Utilizing FLUENT6.3.26 to simulate the flow field around five different artificial reef models including single reef and two reefs combined in different disposal spaces. Particle image velocimetry (PIV) technique was also used to analyze the flow flied distribution by comparing the indexes of flow field obtained in experiment and numerical simulation.Results showed that, in the environment of FLUENT software, upwelling size and strength increased with the increase of Rey-nolds number, but the trend of back eddy was not obvious. In a parallel combination, a better flow field effect of artificial reef was obtained when the disposal space between two parallel reefs was 1 times wide of reef size. While in a vertical combination, a better performance occurred when the disposal space between two vertical reefs was 1.5～2.0 times of the reef size. At different current velocities and under different wave conditions, both the slip-resistance coefficient and rolling-resistance coefficient of the three-tube artificial reef were greater than 1, which proved that the three-tube artificial reef had good physical stability. The research can provide theoretical reference for the construction of artificial reefs.

artificial reef; effect of flow field; disposal space; numerical simulation; physical stability

公益性行业(农业)科研专项(201003068)资助

2015-04-23；

2016-01-24

关长涛(1962-),男,研究员,主要从事设施渔业工程技术研究。E-mail:guanct@ysfri.ac.cn

S931.1

A

1672-5174(2016)09-009-09

10.16441/j.cnki.hdxb. 20150157

Supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201003068)