圆台型人工鱼礁流场效应的数值模拟研究

摘要

近十多年来，以人工鱼礁建设、增殖放流等为主要内容的海洋牧场建设已成为我国近海渔业资源修复与保护的重要手段，并取得了显著成效。人工鱼礁建设是通过在适宜的海域投放人工构造物，改善局部水域的流场环境、生物环境和鱼类栖息环境，促进海域渔业生态环境的修复，从而达到增殖渔业资源的目的。其中，人工鱼礁流场效应是人工鱼礁生态效应的基础，人工鱼礁投放后的流场效应须有利于促进水域饵料生物的富集和鱼类的集聚。
　　人工鱼礁流场效应与礁体结构形状及其配置方式、投放水域的地形与本底流场等因素有关，因此掌握和了解人工鱼礁的水动力学特性，对鱼礁礁型的选择及礁体的优化配置具有重要意义。
　　本文运用计算流体力学理论，借助软件Fluent，对圆台型人工鱼礁的流场效应进行了数值模拟，通过对鱼礁所产生的上升流、背涡流及流动分离、漩涡发展演化等的分析与讨论，提出了圆台型人工鱼礁优化设计方案及其结构参数。
　　1、随着鱼礁迎流面坡度的增大，鱼礁上升流最大速度与来流速度比呈先增大后减小的趋势;上升流平均速度与来流速度比基本稳定在0.14到0.18之间，未有较大波动;上升流最大高度与鱼礁高度比，先减小后增大;礁体迎流面坡度在200％-400％范围内，礁体的上升流流态效果最佳。
　　2、通过礁体高度、坡度、礁体开口等因素对鱼礁流场效应影响的系列数值模拟，提出了圆台型人工鱼礁的优化设计参数:礁体高度2.4m，礁体坡度320％，礁体表面最佳开口宽度0.1m，上表面直径1.5m，下表面直径3m。
　　3、两个圆台型人工鱼礁纵向排列配置时，礁体之间的最佳纵向布设间距为1-1.5倍礁体底面直径。其最大上升流高度随着礁体布设间距的增加，呈现先增大后减小的趋势，且最大上升流高度均大于单体礁，但最大上升流流速均小于单体礁;圆台型人工鱼礁内部及背涡区流态复杂，形成了多种漩涡，加剧了水层混合，其背涡区流态的絮乱程度满足要求，所产生的漩涡大小不随来流速度的改变而改变。
　　4、水槽实验初步验证结果表明，80％以上测点的测量值与计算值误差在20％以内，说明数值模拟方法具有一定的可行性。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 引言

1．2 人工鱼礁水动力学的研究进展

1．3 计算流体力学

1．4 研究方法与内容

1．4．1 研究方法

1．4．2 研究内容

2 计算流体力学基本理论

2．1 基本方程

2．2 湍流的数值模拟方法

2．2．1 直接数值模拟(Direct Numerical Simuhfion，DNS)

2．2．2 非直接数值模拟

2．3 湍流模型

2．3．1 雷诺应力模型(RSM)

2．3．2 涡粘模型(EVM)

2．4 控制方程离散

2．5 网格生成

2．6 流场的数值计算方法

3 人工鱼礁迎流面坡度对流场效应的影响

3．1 实物礁体设计

3．2 数值计算

3．3 结果与分析

3．4 小结

4．圆台型人工鱼礁结构优化研究

4．1 礁体结构

4．2 计算域

4．3 结果与分析

4．3 开口宽度对圆台型人工鱼礁流场效应的影响

4．3．1 实物礁体

4．3．2 结果与分析

4．4 种常见礁型鱼礁主要流场效应特性的比较

4．4．1 上升流特性

4．4．2 背涡流特性

4．5 礁体布设间距对其流场效应的影响

4．5．1 计算域

4．5．2 结果与比较

4．6 小结

5 圆台型人工鱼礁流场效应的水槽实验

5．1 实验鱼礁模型

5．2 测量方法与设备

5．3 结果分析与验证

6．总结展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历