人工魚礁水動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、人工魚礁是指由一個(gè)或多個(gè)自然或人造物體組成，并有目的的設(shè)置于海底，用來(lái)改變海洋生物資源與環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的人工設(shè)施，是海洋牧場(chǎng)工程建設(shè)的重要組成部分。與其他海洋結(jié)構(gòu)物一樣，人工魚礁在海底受到水流等水文環(huán)境因素的作用，其流場(chǎng)效應(yīng)和受力狀況與其自身的水動(dòng)力學(xué)性能密切相關(guān)。關(guān)于人工魚礁水動(dòng)力學(xué)性能的研究，人們?cè)谝酝难芯恐型ǔ＝柚趥鹘y(tǒng)的漁具力學(xué)理論和動(dòng)力水槽實(shí)驗(yàn)等方法來(lái)進(jìn)行研究，而這些方法往往會(huì)受到理論深度、流體屬性、觀測(cè)方法和精

2、度、人力和物力等諸多方面的影響或限制，無(wú)法滿足人們對(duì)人工魚礁水動(dòng)力學(xué)性能全面認(rèn)識(shí)的需求。 本論文以不同人工魚礁模型為研究對(duì)象，依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，基于大型計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent為平臺(tái)，運(yùn)用三維湍流模擬技術(shù)為研究手段，開展了人工魚礁模型水動(dòng)力學(xué)性能的數(shù)值模擬研究，得到了人工魚礁模型各斷面壓力分布、流場(chǎng)效應(yīng)和礁體的受力情況，揭示了人工魚礁局部流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)；同時(shí)與動(dòng)力水槽實(shí)驗(yàn)，特別是粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果

3、進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果均比較吻合，使得兩類方法得到了相互驗(yàn)證。由此說(shuō)明，本論文所采用的數(shù)值模擬方法可以應(yīng)用于人工魚礁水動(dòng)力學(xué)性能的預(yù)測(cè)，進(jìn)而推廣到實(shí)際的人工魚礁水動(dòng)力學(xué)性能研究中去，旨在為人工魚礁流場(chǎng)理論的初步研究和設(shè)計(jì)的選型優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)，為我國(guó)日益蓬勃發(fā)展的人工魚礁區(qū)規(guī)劃和建設(shè)事業(yè)的全面發(fā)展提供科學(xué)參考。 首先，本論文建立了一套針對(duì)多孔立方體人工魚礁模型的三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬模型，對(duì)其水動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了模型礁體

4、周圍及其內(nèi)部三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)和基本流態(tài)，分析了壓力和流速分布之間的關(guān)系，得到了人工魚礁模型的受力值和流速值。計(jì)算結(jié)果與動(dòng)力水槽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，均比較吻合，受力和速度的計(jì)算值與測(cè)量值之間的相對(duì)誤差都很小，分別在2.3％～26.2％和1.3％～36.4％之間。這說(shuō)明，兩種方法均能體現(xiàn)模型礁體在流速增加時(shí)，受力增加的趨勢(shì)，且數(shù)值模擬結(jié)果基本符合模型礁體局部繞流流場(chǎng)的特征。 其次，以單孔立方體人工魚礁模型為研究對(duì)象，在應(yīng)用三維湍流流動(dòng)模型

5、進(jìn)行非定常流動(dòng)數(shù)值模擬的同時(shí)，利用PIV技術(shù)對(duì)橫流中人工魚礁繞流流場(chǎng)縱向斷面處各局部的流動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量，清晰地了解到模型礁體的上升流區(qū)、尾流區(qū)、迎流區(qū)和內(nèi)部旋渦的交替產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的過(guò)程，并對(duì)主要旋渦運(yùn)動(dòng)的周期和影響范圍做出了相應(yīng)的分析。數(shù)值模擬結(jié)果與PIV實(shí)測(cè)和測(cè)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果較吻合，符合人工魚礁模型局部流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，及模型的受力情況。 再次，運(yùn)用三維湍流數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)梯形臺(tái)人工魚礁模型在橫流作用下的非定常流動(dòng)

6、進(jìn)行了數(shù)值模擬，了解了梯形臺(tái)模型礁體的流場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)與PIV實(shí)測(cè)流場(chǎng)以及測(cè)力實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步表明本文的數(shù)值計(jì)算和性能預(yù)測(cè)均能達(dá)到一定的精度。并對(duì)三種礁體的上升流及影響范圍等進(jìn)行了比較。 最后，依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)理論，運(yùn)用三維湍流模擬技術(shù)，對(duì)人工魚礁板塊區(qū)內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了人工魚礁區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中單位板塊區(qū)的流場(chǎng)分布情況，能夠讓人們直觀地了解到人工魚礁板塊區(qū)所產(chǎn)生的流場(chǎng)效應(yīng)，為研究