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人工鱼礁水动力学与数值模拟研究

姜昭阳  
【摘要】: 人工鱼礁是指由一个或多个自然或人造物体组成,并有目的的设置于海底,用来改变海洋生物资源与环境,进而促进社会经济发展的人工设施,是海洋牧场工程建设的重要组成部分。与其他海洋结构物一样,人工鱼礁在海底受到水流等水文环境因素的作用,其流场效应和受力状况与其自身的水动力学性能密切相关。关于人工鱼礁水动力学性能的研究,人们在以往的研究中通常借助于传统的渔具力学理论和动力水槽实验等方法来进行研究,而这些方法往往会受到理论深度、流体属性、观测方法和精度、人力和物力等诸多方面的影响或限制,无法满足人们对人工鱼礁水动力学性能全面认识的需求。 本论文以不同人工鱼礁模型为研究对象,依据计算流体力学理论为基础,基于大型计算流体力学软件Fluent为平台,运用三维湍流模拟技术为研究手段,开展了人工鱼礁模型水动力学性能的数值模拟研究,得到了人工鱼礁模型各断面压力分布、流场效应和礁体的受力情况,揭示了人工鱼礁局部流场的流动结构;同时与动力水槽实验,特别是粒子图像测速(PIV)技术的实测结果进行对比分析,结果均比较吻合,使得两类方法得到了相互验证,并对各礁体模型所产生的流场效应作初步比较。由此说明,本论文所采用的数值模拟方法可以对人工鱼礁水动力学性能的预测,进而推广到实际的人工鱼礁水动力学性能研究中去,旨在为人工鱼礁流场理论的初步研究和设计的选型优化奠定理论基础,为我国日益蓬勃发展的人工鱼礁区规划和建设事业的全面发展提供科学参考。 首先,本论文建立了一套针对多孔立方体人工鱼礁模型的三维湍流流动数值模拟模型,对其水动力学性能进行了数值模拟,预测了模型礁体周围及其内部三维流动结构和基本流态,分析了压力和流速分布之间的关系,得到了人工鱼礁模型的受力值和流速值。计算结果与动力水槽实验数据进行比较,均比较吻合,受力和速度的计算值与测量值之间的相对误差都很小,分别在2.3 %~26.2 %和1.3 %~36.4 %之间。这说明,两种方法均能体现模型礁体在流速增加时,受力增加的趋势,且数值模拟结果基本符合模型礁体局部绕流流场的特征。 其次,以单孔立方体人工鱼礁模型为研究对象,在应用三维湍流流动模型进行非定常流动数值模拟的同时,利用PIV技术对横流中人工鱼礁绕流流场纵向断面处各局部的流动特性进行测量,清晰地了解到模型礁体的上升流区、尾流区、迎流区和内部旋涡的交替产生、发展和消亡的过程,并对主要旋涡运动的周期和影响范围做出了相应的分析。数值模拟结果与PIV实测和测力实验结果进行对比,结果较吻合,符合人工鱼礁模型局部流场的流动结构,及模型的受力情况。 再次,运用三维湍流数值模拟技术,对梯形台人工鱼礁模型在横流作用下的非定常流动进行了数值模拟,了解了梯形台模型礁体的流场效应,通过与PIV实测流场以及测力实验的结果进行比较,数值模拟结果与实验测量结果吻合较好,进一步表明本文的数值计算和性能预测均能达到一定的精度。并对三种礁体的上升流及影响范围等进行了比较。 最后,依据计算流体力学理论,运用三维湍流模拟技术,对人工鱼礁板块区内的流动进行数值模拟,得到了人工鱼礁区生态系统中单位板块区的流场分布情况,能够让人们直观地了解到人工鱼礁板块区所产生的流场效应,为研究人员提供人工鱼礁区规划和建设的科学参考。


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