波浪作用下人工鱼礁水动力特性的数值研究

摘要

近些年来，全球范围的渔业资源在不断衰减，人们的海洋环境保护意识也在日益增强，对海洋渔业资源的修复和保护越来越成为人们关注的焦点。各国在保护、增殖渔业资源和修复海洋生态环境的工作中，采取的一项重要措施是建设海洋牧场。在建设海洋牧场时，人工鱼礁作为一种模拟自然礁石的人为构造物被投放于海底，能够保护鱼类和增值产量，同时减小海岸的侵蚀。人工鱼礁投放到海底后，将会受到波浪和水流的共同作用，同时也会对周围的流场分布产生影响。人工鱼礁通过带来的流场效应实现其生态功能，而保证人工鱼礁生态功能长期有效的前提是确保其在波流作用下的物理稳定性，故必须对人工鱼礁的整体物理稳定性进行计算校核，所以研究波浪作用下人工鱼礁的水动力特性是十分必要的。
　　目前国内外对人工鱼礁的研究主要集中于其生态效应方面和水流作用下礁体周围的流场分布情况，对人工鱼礁在波浪作用下的水动力特性的研究还相对较少。本文利用计算流体力学软件FLUENT进行数值模拟，基于有限体积法，采用推板造波形式，通过利用VOF方法求解波面的方式建立了模拟人工鱼礁与波浪相互作用的三维数值波浪水槽。基于该数值模型研究了波浪作用下单体及组合三角型镂空人工鱼礁的受力情况，并与物理模型实验结果进行对比，结果显示人工鱼礁受力与波浪形态吻合良好，验证了数值模型的可行性。根据数值模拟的结果，对三角型人工鱼礁周围的流场分布进行了定性的分析;通过分析数据拟合出波浪作用下单体三角型人工鱼礁的水动力系数;数值模拟结果显示在波浪作用下人工鱼礁的周围水域产生了较强的上升流和回流，礁体内部产生了明显的涡旋结构。研究结果为实际建设中礁体结构的设计优化提供了科学的理论依据。
　　本论文的主要内容包括五章:第一章简要介绍了课题研究背景、意义及目的，详细介绍了人工鱼礁水动力特性的研究历史、现状和研究方法。第二章介绍了数值模拟的基本理论和相关数值模型，包括控制方程、数值计算方法和三维数值波浪水槽的建立，并验证了所建立的三维数值波浪水槽造波的准确性和消波的有效性。第三章利用建立的数值波浪水槽模拟了波浪对单体三角型人工鱼礁的作用，通过与物理模型实验结果作对比，初步探究了波浪作用下单体三角型人工鱼礁的水动力特性。第四章研究了组合三角型人工鱼礁在波浪作用下的水动力特性。第五章对三角型人工鱼礁在波浪作用下的整体物理稳定性进行了计算校核。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景、意义及目的

1．2 人工鱼礁简介与分类

1．3 国内外相关研究概况

1．4 本文的研究工作和内容安排

2 基本理论与数值模型

2．1 控制方程

2．2 数值计算方法

2．3 自由表面捕捉方法

2．4 数值波浪水槽的造波与消波

2．4．1 数值造波方法

2．4．2 数值消波方法

2．5 数值波浪水槽的模拟与验证

2．5．1 数值波浪水槽的边界条件与网格划分

2．5．2 数值波浪水槽造波准确性验证

2．5．3 数值波浪水槽消波效果检验

2．6 本章小结

3 波浪对单体三角型人工鱼礁作用的数值模拟与实验验证

3．1 物理模型实验

3．1．1 实验模型及布置形式

3．1．2 实验方法及受力结果

3．1．3 受力结果分析

3．2 数值模拟计算

3．2．1 数值模型布置与网格划分

3．2．2 数值计算结果与物理模型实验结果对比分析

3．3 波浪作用下单体人工鱼礁的水动力特性分析

3．3．1 单体三角型人工鱼礁的水动力系数分析

3．3．2 单体三角型人工鱼礁波浪流场数值结果分析

3．4 本章小结

4 波浪对组合三角型人工鱼礁作用的数值模拟与实验验证

4．1 物理模型实验

4．1．1 实验模型布置

4．1．2 实验受力结果及分析

4．2 数值模拟计算

4．2．1 数值模型网格划分

4．2．2 数值计算结果验证及分析

4．2．3 组合三角型人工鱼礁波浪流场数值结果分析

4．3 本章小结

5 三角型人工鱼礁的物理稳定性计算

5．1 礁体抗滑稳定性条件

5．2 礁体抗倾稳定性条件

5．3 人工鱼礁在波流作用下的受力理论计算方法

5．4 三角型人工鱼礁波流作用下的物理稳定性校核

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢