人工鱼礁流场特征及稳定性的数值模拟研究

摘要

海洋渔业资源是人类社会的巨大财富，但渔业资源的衰退和和海洋生态环境的失衡已逐步成为全球性的问题。海洋牧场成为了新型的海洋渔业资源开发方式，人工鱼礁建设是其重要内容。人工鱼礁能够改变当地的水流运动，产生上升流和背涡流等多种流态。上升流能够改善水层营养物质分布，背涡流区域充满涡旋且流速缓慢，适合鱼类的栖息。人工鱼礁能够聚集鱼类，供其繁衍生息。
　　本文综述了潮流和波浪作用下人工鱼礁的流场效应及稳定性和人工鱼礁相关问题的研究进展。目前有关潮流作用下人工鱼礁流场效应的评价方法大多以上升流的高度和背涡流的长度为标准，缺乏对鱼礁流场效应进行三维立体的研究。波浪作用下人工鱼礁流场效应及稳定性的研究较少。
　　本文基于 FLUENT软件建立了数值水槽，对人工鱼礁周围的流场进行了数值模拟，并与模型实验结果进行对比，验证了数值水槽的有效性。然后构建了数值波浪水池，对规则波的传播、潜堤地形上波浪的传播及变形和圆柱所受波浪力进行了数值模拟，并分别与解析解和实验结果进行对比，验证了数值波浪水池的有效性。
　　利用数值水槽研究了开口比、来流速度、迎流角度和礁高间距比对人工鱼礁流场效应及稳定性的影响规律，得出以下结论：(1)开口比增大，流场效应减小，抗滑移和抗倾覆系数减小，稳定性下降。(2)流速增大，上升流体积增大，背涡流体积略有减小，抗滑移和抗倾覆系数减小，稳定性下降。(3)迎流角由90°向45°变化时，流场效应增大，抗滑移系数减小。(4)鱼礁摆放间距增大，礁高间距比减小，整体的流场效应增大，前后鱼礁的抗滑移和抗倾覆系数均减小，稳定性下降。
　　以天津大神堂海域人工鱼礁建设为背景，利用潮流数学模型对渤海湾的潮流场进行了数值模拟，得到了人工鱼礁投放区的潮流特性，选择0.5m/s的特征速度对三种礁型的流场效应及稳定性进行了研究，得出车叶型鱼礁的流场效应最强，稳定性最好，为人工鱼礁的选型提供了依据。
　　基于数值波浪水池，对波浪作用下的人工鱼礁流场特征及稳定性进行了研究，得出了鱼礁周围的波面、流场和鱼礁所受波浪力在一个波周期内的变化规律；波高增大，鱼礁周围最大流速增大，漩涡增强，稳定性下降；周期增大，鱼礁周围最大流速增大，漩涡增强，稳定性下降。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 人工鱼礁流场效应的研究进展

1.3 人工鱼礁稳定性的研究进展

1.4 波浪作用下人工鱼礁流场及稳定性研究进展

1.5 人工鱼礁相关问题的研究进展

1.6 本文主要工作

第二章 数值水池的建立及验证

2.1 引言

2.2 基于FLUENT数值水槽的建立

2.3 数值水槽的验证

2.4 基于FLUENT数值波浪水池的建立

2.5 数值波浪水池的验证

2.6 本章小结

第三章 水流作用下人工鱼礁流场效应及稳定性研究

3.1 引言

3.2 人工鱼礁的流场效应评价和稳定性校核的标准

3.3 开口比对人工鱼礁流场效应及稳定性的影响

3.4 来流速度对人工鱼礁流场效应及稳定性的影响

3.5 迎流角度对人工鱼礁流场效应及稳定性的影响

3.6 礁高间距比对人工鱼礁流场效应及稳定性的影响

3.7 本章小结

第四章 天津大神堂海域人工鱼礁流场效应及稳定性研究

4.1 引言

4.2 天津大神堂海域人工鱼礁建设

4.3 天津大神堂海域的海况条件

4.4 天津大神堂海域人工鱼礁的流场效应研究

4.5 天津大神堂海域人工鱼礁的稳定性研究

4.6 本章小结

第五章 波浪作用下人工鱼礁流场的数值模拟研究

5.1 引言

5.2 波浪作用下人工鱼礁周围的流场变化

5.3 波高对人工鱼礁的流场特征及稳定性的影响

5.4 波浪周期对人工鱼礁的流场特征及稳定性的影响

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢