人工鱼礁流场效应与物理稳定性研究

【摘要】：随着海洋渔业资源的衰退和海洋生态环境的破坏，人工鱼礁技术得到迅速发展，成为海洋牧场建设的重要组成部分。人工鱼礁是指人为在水中放置的构造物，主要由一个或者多个自然或者人造的物体组成，其目的是用于改善水生生物栖息环境，为海洋生物提供索饵、繁殖、生长、发育的场所，达到保护、增殖渔业资源和提高渔获物质量的目的。 人工鱼礁生态效应的发挥依托于鱼礁投放后的流场效应和物理稳定性。因此，评价某一礁型生态效益是否良好，应首先评价该礁型的流场效应和物理稳定性，即人工鱼礁的水动力性能。我国人工鱼礁研究起步较晚，对人工鱼礁水动力性能的研究也较为单一，很少有学者会系统的分析某一礁型的流场效应和物理稳定性。 首先，本文以4种不同形状的人工鱼礁模型为研究对象，借助大型计算流体动力学软件Fluent，以三维湍流模型数值分析为主，分析了4种礁型单体、某一双体组合间距下鱼礁模型周围的流场变化。同时采用粒子图像测速（PIV）技术，对4种礁型单体、组合鱼礁周围的流场进行了模型试验研究。比较模型试验实测结果与数值模拟结果，发现流场指标的计算值与测量值基本吻合，误差均控制在20%以内，因此，采用数值模拟方法分析鱼礁流场分布是可行的。在验证了数值模拟可行的基础上，采用三维湍流技术分析了4种礁体单体（不同摆放方式、不同礁体尺寸）、组合（不同布设间距）的流场变化情况，得到礁体的最佳摆放方式、布设间距、礁高水深比。其次，本文采用动力水槽模型试验的方法，测定了4种礁体在波浪、水流作用下的阻力，与礁体模型在2种底质上所受的摩擦力比较，得到礁体的抗滑移和抗倾覆安全系数，对其稳定性进行校核。本论文对4种礁型的水动力学性能进行了系统的分析，旨在为人工鱼礁礁体结构的设计和礁区规划提供理论基础和科学参考。 本文主要由九章组成，第一章对国内外人工鱼礁水动力学研究现状和计算流体动力学的发展进行了综述；第二、三章对计算流体动力学的基本理论、数值模型和论文研究所用的实验仪器、试验方法、评价指标进行了详细的阐述，为论文的后续写作提供理论基础。 第四章运用PIV模型试验和数值模拟的方法，分析了不同叠放个数、不同布设间距对圆管型礁体周围流场分布的影响，结果表明：在水深为10m的海域中，当鱼礁叠放个数为15时，鱼礁周围流场效应最好，此时的礁高水深比为0.224；当2个礁体横向组合，2个礁体之间的间距为1.0L时，2个礁体的协同效应最强，流场效应最好；当2个礁体纵向组合，礁体间距为2.0L时，流场效应最好。通过动力水槽试验，测量了礁体在5个水流流速和8个波况下的受力情况，计算得到了礁体的抗漂移和抗翻滚系数。结果表明，该礁体在水流或波浪作用下稳定性良好，不会发生明显的滑移和翻滚，适宜投放。 第五章对小石岛造礁工程中的三角型礁进行改良，设计了等边三角型礁。采用与第四章一致的方法，分析了礁体在不同礁体尺寸、不同布设间距时的流场分布情况，得到该礁型的最佳礁高水深比、布设间距。同样也对礁体的受力进行了核算，结果表明该礁型的稳定性较十字型、钢制四方台型礁体略有提高。 第六章对镂空方型增殖礁单体、双体的流场分布进行了模型试验和数值模拟研究，得到该礁体的最佳摆放方式、礁高水深比、布设间距。由于礁体较小，若采用试验的方法测量礁体模型在波流作用下的受力，误差较大，影响结果的准确性。因此，采用经验公式的方法计算了礁体在特定波流状况下的受力情况，进而分析了礁体在该波流情况下的物理稳定性。 第七章借鉴刘彦等人的研究结论，采用动力水槽模型试验的方法测量了中空立方体礁体在水流、波流作用下的受力，发现随着来流速度、波高、波流周期的增加，礁体的受力逐渐增加。然后对该礁型的稳定性进行了校核，得到该礁型在波浪和水流作用下的稳定性良好。 第八章以渤海生态修复北戴河示范区项目为依托，综合利用前面几章的研究结论，采用4种礁型设计了一个57公顷的人工鱼礁核心示范区。该人工鱼礁区由10座单位礁组成，每个单位礁面积0.22公顷，体积为517空立方米。此人工鱼礁区的设计将为4种礁型的推广使用提供一个完整的理论支撑。此外，详细阐述了该人工鱼礁核心示范区建设会带来的预期生态、经济和社会效益，为推动我国人工鱼礁建设提供动力。 第九章对本论文的研究内容进行了总结，同时提出了本研究中的不足及需开展的后续工作。