人工鱼礁周围流场三维数值模拟及通透系数研究

摘要

人工鱼礁是人为设置在海中的构造物，可为鱼类等海洋生物的栖息、生长、繁育提供安全场所，营造适宜的生长环境。人工鱼礁的流态效应是其生态效应研究的基础。考虑人工鱼礁投放海中以后会使其周围的流场发生一定的变化，尤其是鱼礁所形成的上升流和背涡流是研究流场变化的主要对象。因此，设法模拟出这些流场，通过研究鱼礁投放后产生的上升流、背涡流规模大小等等，能够对鱼礁进行优化建设，更好地聚集鱼群，改善海洋生态环境，提高经济效益。
　　 首先，论文利用相同尺寸的水槽实验与其进行对比验证该数值计算方法的可行性。数值计算采用LES（大涡模拟）紊流模式，对定常来流速度下米字型人工鱼礁单体附近流场进行三维数值模拟。水槽实验则采用在静水槽中拖动礁体产生相对的来流速度进行实验。在数值模拟与水槽实验中分别设置了0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s以及1.2m/s六种不同来流速度，并比较礁体附近17个测点上三个方向流速变化的情况。结果表明，数值模拟中约80％的测点速度与水槽实验结果相吻合。而差异较大的数据集中在礁体上方出口面附近的测点。该处流态变化强烈，从而可能导致水槽实验测得的数据误差较大。所以，根据整体的比较结果来看，该三维数值模拟方法是具有一定的准确性和可行性的，今后可采用该方法模拟人工鱼礁的流场，并对其进行进一步的研究。
　　 在不同的水域中，应该根据水域的深度和流速，投放不同大小的鱼礁，才能使鱼礁产生最佳的效果。该章节分别作了以下比较：(1)比较来流速度0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s、1.2m/s下单礁流态的变化；(2)比较不同水深10m、15m、20m、25m、30m水域中的单礁流态变化。通过本次试验的一系列比较结果表明，能够得出在25m水深条件下，投放3m礁高的实心单体和回字型人工鱼礁的效果是最显著的。而水深一定时，对于回字型的透水礁体在来流速度为0.6m/s时能起到最佳效果，对于实心单礁则在0.8m/s来流速度下能达到最佳效果。这一结论可以为优化鱼礁建设提供重要的理论依据，最大程度地实现流场效应。
　　 由于实际投放的礁体结构复杂、数量众多，在进行整体模拟时需要处理网格划分精细度和计算量大小之间的平衡。因此论文第三部分引入通透系数这一概念，设计x、y、z三个方向不同通透方式的单个正方体人工鱼礁，根据单礁模型优化设计的结论设计最佳礁高水深比的模型，对定常来流速度下人工鱼礁单体附近流场进行三维数值模拟，建立反映礁体结构的通透系数与礁体产生流场变化的关系，通过通透系数将复杂礁体简化成能产生同样效果的简单礁体，使得在大规模模拟时网格划分更为简单。结果显示:上升流和背涡流的规模随通透系数增加而减小;来流方向上，礁体迎流面、背流面的通透系数变化对上升流和背涡流规模影响较为显著，而内部结构的变化则作用不明显，礁体上方与侧方的开口对上升流和背涡流的影响也不显著。迎流面通透系数变化是背涡流规模影响的主要因素。方形单礁缓流区体积随通透系数Tin增大呈线性减小，关系为Vx=-1241.8Tin+1206。通过该研究可在数值计算中通过通透系数与流场变化的关系，实现将礁体简化，有效地提高计算效率；为将小范围模拟扩大到群礁、甚至大海域的模拟，定量评估人工鱼礁的生态效应打下基础。
　　 论文最后一部分初步探讨了在九礁排列的模型中，礁体之间的距离变化对其产生的缓流区和上升流区的影响。选取3m、6m以及9m的礁体间距建立模型进行比较，结果表明在3m间距的九礁排列组合能形成最大规模的缓流区流域，而9m间距的九礁排列组合则能形成规模最大的上升流区流域。通过本研究可见我们能够通过变化礁体之间的排列组合方式，调控实际海域中的人工鱼礁主要的功能需求。

目录

文摘

英文文摘

上海海洋大学博/硕士学位论文答辩委员会成员名单

第一章 引言

1 人工鱼礁流场研究简介

2 国内外人工鱼礁流场研究现状

3 本论文的研究意义和内容

第二章 人工鱼礁三维数值计算

1 湍流模型的选择

2 数值模型边界设置

第三章 数值计算与水槽实验的对比验证

1 材料方法与数据处理

1.1 水槽实验

1.2 数值模拟

1.3 数据处理

2 对比验证结果与分析

第四章 单礁模型优化设置

1 单礁模型的建立

2 不同较高水深比的模型比较与分析

3 不同来流速度下的模型比较与分析

4 结果与讨论

第五章 透水九礁组合模拟的初步探讨

第六章 通透系数的研究

1 通透系数的定义

2 模型建立与数据处理

3 结果与讨论

第七章 结论与展望

参考文献

致谢