三种叠放形式的圆管型人工鱼礁流场效应数值模拟与PIV试验研究

人工鱼礁单体按不同的数量和排列方式组合投放会产生不同的流场效应。圆管型礁为目前黄渤海区增殖礁的重要礁体型式,为优化该礁体的投放数量与排列方式,选择了3种不同叠放个数(1个、3个和6个)的圆管礁,设定了5个流速梯度(4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s),利用PIV粒子图像测速技术和Fluent数值模拟软件对圆管型人工鱼礁的流场进行水槽模型试验和数值模拟。结果表明,数值模拟结果与水槽试验结果基本吻合,误差在20%以下,表明数值模拟能够反映人工鱼礁的流场效应;当礁体叠放个数一定时,最大上升流流速、上升流高度和上升流面积均随来流速度的增加而增大,背涡流面积呈现不规则的变化;当来流速度一定时,最大上升流流速、上升流面积、上升流高度和背涡流面积均随礁体叠放个数的增加而增大。     

圆台型人工鱼礁单体流场效应的数值模拟

应用CFD软件FLUENT开展了圆台型人工鱼礁单体流场效应的数值计算,对比分析了圆台型人工鱼礁与金字塔型、三棱柱型、方型人工鱼礁的上升流最大高度、最大速度、平均速度等参数,讨论了圆台型礁的背涡区尺寸和流态。研究显示,圆台型礁的上升流最大高度可达礁体高度的2.14~2.17倍,上升流最大速度可达来流速度的0.76倍,上升流平均速度可达来流速度的0.125倍;背涡区长度约为礁体高度的2.3倍。研究结果表明,圆台型人工鱼礁流场流态的大部分指标优于其它4种常见礁型的流场流态,且背涡区漩涡多变、流态复杂,具有较好的应用前景。     

海上退役平台改作鱼礁体的稳定性及流场效应研究

海洋油气平台在达到作业寿命后必须进行废弃处置,将海上退役平台改作人工鱼礁投放,对优化渔业资源、促进海洋经济持续发展具有重要意义。基于平台拆卸结构,共制作了箱状、管状、柱状、网状4种典型鱼礁实物模型,通过室内模拟试验和数值模拟研究,分析了不同鱼礁类型单体的稳定性和流场效应。结果表明：开口率0.1至0.8的箱状礁的稳定性均能满足要求,但开口率高于0.6的箱状礁难以形成连续的背涡流区域,设计时应使开口率低于0.6;管状礁应选择堆叠放置方式投放,且堆叠层数与稳定性和流场造成能力均呈正相关,在设计时尽量提高管状礁的堆叠层数;柱状礁设计时应尽量降低其重心,并减小迎流投影面的中空面积投放;基于平台的钻井架、火炬臂、栈桥设计的3种网状礁,均满足礁体稳定条件,且均能形成大范围的背涡流区域,可作为人工鱼礁投放。研究成果为平台造礁礁体结构设计提供了理论依据与实践基础,对海上退役平台的废弃处置具有一定的参考价值。     

基于大涡模拟与被动示踪物模型的人工鱼礁数值研究

投放人工鱼礁是解决海洋生态环境问题的重要措施之一。通过使用并行大涡模拟模式（the parallelizeda large-eddy simulation model,PALM）及被动示踪物模型模块,研究了不同流速条件（0.1,0.2,0.4和0.6 m/s）下方型人工鱼礁对流场形态、营养盐的抬升作用、和湍流动能收支的影响。研究表明,鱼礁的存在使得其附近垂向速度增大,产生上升流。受到上升流的抬升作用,鱼礁底部的示踪物迅速进入海洋上层,之后遇到鱼礁后方的背涡流,示踪物的抬升受阻,高度逐渐降低。在上升流区域以及背涡流区域的共同影响下,示踪物抬升区域的最大高度与来流流速无关。不同上升流定义对应的上升流区域的高度与来流流速均不相关;上升流区域的最大速度、平均速度与来流流速都成线性增加的关系;然而随着来流流速的增大,不同上升流定义对应的上升流区域面积的变化趋势却完全不同。投放鱼礁后,鱼礁区域底部的混合增强,区域底部的能量被输运至上层。这说明,鱼礁的存在不仅对营养物质具有抬升作用,还能将能量向上输运。     

正方体人工鱼礁流场效应试验研究

采用无干扰的粒子图像测速技术(PIV),针对中空型正方体人工鱼礁,选取3个不同的来流速度6.7 cm/s、11.0 cm/s和18.0 cm/s,研究了该模型单体(90°和45°)和组合(平行和垂直)工况时的流场效应。结果显示,单体90°迎流时上升流的规模和强度大于45°迎流,但产生的缓流区和背涡流的规模远小于45°工况。横向组合中单个鱼礁模型产生的流场效应较强于单体工况。纵向组合中,第一个迎流鱼礁在不同间距时内部流速分布和单体时较为相似,间距为1.0L时流速大小与单体最为接近。第二个迎流鱼礁内部基本上未出现回流区域,水平流速较单体时明显减小,但随着间距的增加流速值不断增大。     

布设间距对人工鱼礁流场效应影响的数值模拟

人工鱼礁在海中不同的布局方式会产生不同的流场效应.通过水槽与风洞模型实验很难对组合鱼礁流场全局进行观测,为此提出1种基于CFD原理的人工鱼礁流场特性的计算机数值模拟方法,模拟了不同流速条件下布设间距对方形组合礁体流场效应的影响.结果表明:数值模拟较好地反映了人工鱼礁周围上升流和背涡流的分布情况;当两礁体布设间距为1.5倍礁体尺寸时,所产生的上升流高度达到最大值;当布设间距为1倍/时,其上升流的影响面积为最大;当布设间距为1.5倍时所产生的背涡流效果最好;两礁体之间的最佳布设间距应为礁体尺寸的1～1.5倍.数值模拟结果与风洞实验结果基本相符,该结论可为人工鱼礁实际投放提供理论参考.     

不同开口比人工鱼礁体水动力特性及礁体稳定性研究

为研究方型人工鱼礁体开口比的变化对其水动力特性的影响,利用Fluent软件模拟了边长为3m、开口比为0～0.6之间7种不同方型鱼礁体周围水流场,通过分析水流场变化规律得到了礁体流场效应、阻力系数随开口比的变化情况;基于Morison方程计算了礁体在波流作用下的受力及其抗滑移、抗倾覆安全系数。研究结果表明:当礁体开口比小于0.2时,背涡区范围较大,流场效应明显;随着开口比的增大,礁体产生的上升流范围及竖直向最大速度分量逐渐减小;对于方形开口礁体,阻力系数与开口比的关系式为Cd=0.875φ+1.088(R2=0.963,P<0.01);随着开口比的增大,礁体所受最大波流作用力、抗滑移及抗倾覆安全系数逐渐减小,但礁体不会发生滑移和倾覆,可为实际礁体结构的设计提供参考。     

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

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。     

不同布设间距和来流速度下方型人工鱼礁上升流效应的数值模拟

合理的人工鱼礁组合可以有效改善投放水域的流场效应,提高投放水域底层与上层水体之间的扰动。通过使用并行大涡模拟模式及被动示踪物模块,并通过调整人工鱼礁布设间距,研究了在不同背景流速条件(0.1、0.5、0.6和1.0 m/s)下,在不同的横向间距(1L、2L、3L)(L表示人工鱼礁的边长)或纵向间距(1L、2L、3L、4L、5L)情况下,方型人工鱼礁对上升流体积、营养盐的抬升和垂向涡黏系数的影响。研究结果表明,在同一布置条件下,单排布置下的三块人工鱼礁形成的上升流体积大小与来流速度成正相关,体积随来流流速增加而增大6.4%～80.5%;在同一流速条件下,上升流体积大小与纵向布置的间距成正比,与横向布置的间距成反比;在横向布置条件下,当来流速度为1.0 m/s、布设间距为1L时,上升流体积参数最佳。总体来说,上升流体积参数、示踪物浓度差和垂向涡黏性系数均显示横向布置优于纵向布置,相较于布设间距,来流速度是影响上升流体积最重要的因素。     

海上平台造礁选址评价体系构建——以东营近岸海域为例

海上退役采油平台改建鱼礁是同时实现退役平台处置和渔业资源养护的重要手段,而合理选址是保障平台造礁工程顺利实施的关键工作,但目前国内缺乏相应的选址评价体系。在参考国内外文献和专家经验的基础上,筛选平台造礁选址评价指标,基于层次分析法(AHP)和多级模糊综合评价法的组合方法,构建适合国内平台及海洋环境特点的平台造礁选址评价体系,并对东营近岸平台造礁适宜区进行了优选。结果表明,共选取出15项具有代表性的平台造礁选址评价指标,平台造礁选址评价在水深、利益相关方等方面与常规人工鱼礁存在明显区别,其中水深和海洋功能区划是影响平台造礁选址评价的主要因素;东营北岸海域选址评价结果优于东岸海域,评价体系合理地表征出东营近岸海域作为平台造礁区的适宜性情况。研究结果可为东营近岸海域平台造礁示范区的选取提供技术支持,并为国内平台造礁选址规程的制定提供参考。     

海州湾海洋牧场人工鱼礁区建设前后海洋环境变化分析

为研究连云港海洋牧场人工鱼礁区建设前后的水动力环境变化,利用DHI MIKE水动力模块模拟2002年和2016年人工渔礁区建设前后的水动力环境,并分析人工鱼礁区潮流为SE方向时顺流方向纵断面流速和流向的空间变化规律以及工程前后鱼礁区内水质和水生物的变化情况。结果表明:人工鱼礁区建成后,工程海域垂向流速和流向变化较大,水平流速和流向变化较小;由于附着在人工鱼礁上大型藻类的生长,水质逐年变好,且水生物量也逐年增加。     

一种人工鱼礁的水动力学研究与建设效果评价

针对舟山群岛的海洋环境和渔业资源等情况,设计了一种正六棱柱式人工鱼礁用于改善当地的海洋生态和渔业资源。选用反映鱼礁通透性的ε值和反映鱼礁附着能力的η值两个参数对人工鱼礁的结构进行评价,通过比较发现所设计的正六棱柱式人工鱼礁在具有良好通透性的情况下还能够为海洋生物提供更大的附着面积,满足设计需求。使用Fluent软件对鱼礁进行CFD仿真,发现鱼礁迎流面前部上升流的最大高度随来流速度的增加而增加,鱼礁后方背涡流的长度约为鱼礁高度的9.3~9.6倍,表明其具有很好的水动力特性。为进一步验证鱼礁的水动力学性能,在相同尺寸、相同水域环境下对鱼礁模型设计了水槽实验,与仿真结果相互验证,证明了正六棱柱式人工鱼礁水动力性能的有效性。最后采用实地调查的方法对正六棱柱式鱼礁礁区与箱形鱼礁礁区进行建设效果的对比评价,发现两种鱼礁均能对各自所处的海洋环境起到增殖作用,正六棱柱人工礁区的平均生物密度大于对比礁区的生物密度,证明了其良好的水动力特性对增殖效果的有效性。     

不同布设间距下方型人工鱼礁体的水动力特性数值研究

为研究方型人工鱼礁体水动力特性受礁体布设间距变化的影响,通过物模实验实测了开口比为0.3的方形开口双礁体在布设间距为1.0L、2.0L时周围特征点的流速及礁体受力,并利用Fluent软件模拟了双礁体在布设间距为0.5L、1.0L、2.0L、4.0L时的水动力场,通过分析得到了礁体上升流特性参数、阻力系数随布设间距的变化情况。研究结果表明:数值模拟结果与实验结果吻合较好,本文数值模拟方法是可行的;模拟工况下,随着布设间距的增加,双礁体产生的上升流区体积逐渐减小,阻力系数逐渐增大,流场效应较好的布设间距为0.5L、1.0L、2.0L。研究结果可为礁区布局方案的确定提供参考。     

珊瑚礁海岸波流运动特性整体物理模型实验研究

根据现场地形在港池中建立三维珊瑚礁-潟湖-裂口海岸定床整体物理模型,采用波高传感器、流速仪和表面流速测量系统分别测量了规则波作用下珊瑚礁海岸不同位置的波浪和流场特征.结果表明:礁坪上,波高在向岸方向逐渐减小,总减小幅度为86.7％,增水先增大后减小,沿礁坪下降幅度为65.9％,水流以向岸流为主,存在着先增大后减小的趋势...     

圆筒型鱼礁体纵横布设间距下的水动力特性研究

应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件数值计算了圆筒型人工鱼礁体在不同纵向和横向布设间距下的水动力特性,实测了圆筒型人工鱼礁体在纵向布设间距1.0L和2.0L (L为礁体长度)下的流场及受力特性,验证了物理模型实验中各个测点的流速值和阻力值,计算值与实验值吻合较好.研究...     

基于长期定点观测资料的莱州湾人工鱼礁建设区局地水动力特征

为了研究人工鱼礁区基本水动力特征,本文利用人工鱼礁投放区的座底海床基获取半年以上的水动力观测资料,通过谱分析、调和分析、滤波等方法分析了该海区潮汐、潮流特征,并讨论了余流特征。结果表明,该海域属于不规则半日潮,具有显著的全日潮周期和半日潮周期,潮汐性质指数为0.98,平均潮差为0.95m,最大可能潮差为2.25m。潮流为典型的往复潮,潮流主向为NNE-SSW,优势分潮为M2分潮。垂向上,流速大小随深度增加显著降低,海底1m的流速较表层降低约30%,流向向沿鱼礁布设方向偏转。该海域余流较小,欧拉余流与斯托克斯余流大小相当,分别为1.35cm/s,1.41cm/s,均为向岸输运,欧拉余流表层受风影响较大,拉格朗日余流为2.76cm/s,方向SEE。该海域流场垂向结构与人工鱼礁投放后底摩擦增加、鱼礁对近底层水流的阻滞作用有关。底层温度具有显著的季节变化与日变化特征,短期高频变化存在显著的全日周期与半日周期,冬春季由于垂向混合加强,全日信号更为显著。底层浊度的升高主要由大风过程加强垂向混合的引起。     

岛礁地形上斜坡堤前破碎波流场数值模拟研究

基于SPH方法建立波浪数值水槽,对岛礁地形上的波浪传播变形进行了数值模拟,分析了岛礁地形上波浪破碎过程的波高和水质点波动流速分布,并采用波浪水槽物理模型试验数据进行对比验证。结果表明,该模型可以较准确地模拟岛礁地形上波浪破碎引起的波高和波动流场沿程变化。在此基础上模拟了礁坪上建设斜坡堤后的波动流场,分析了斜坡堤对礁坪上流场形态、沿程波高、波动流速垂向分布及近底流速的影响。结果表明：在建设斜坡堤后,礁坪上波浪破碎更加猛烈,波浪破碎点前移;沿程波高与波动流速受反射波影响明显,沿程波高变化呈现为先增大、再减小、再增大,最后在防波堤堤脚处减小,近底流速变化趋势则与之相反;在堤前半倍波长范围内反向近底流速峰值较非岛礁地形上规范公式计算值增幅较大。