基于数值模拟的人工鱼礁水动力特性及结构优化研究

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建设海洋牧场是保护海洋渔业资源可持续发展的重要途径,向目标海域投放人工鱼礁是建设现代化海洋牧场的重要手段,如何有效发挥人工鱼礁的效应功能成为项目建设的关键环节。本文的研究对象为具有结构差异的人工鱼礁模型,采用数值模拟方法,利用Fluent软件对结构边长为3 m的HUT型、框架型、十字翼型、六梭台型、立方对角面开孔型和优化后的四种梯形台鱼礁在不同来流速度和4种迎流角度下的流场特征和稳定性进行了数值模拟分析。基于鱼礁的流场空间范围和稳定性特征,选取上升流体积、背涡流体积、阻力和倾覆力矩作为评价指标,首次从系统工程的角度提出了一种基于序关系-熵权法的人工鱼礁建设效果综合评价方法,以此为人工鱼礁建设工程提供理论参考。经过数值研究及分析,结果表明:(1)在其他工况条件相同时,上升流体积和背涡流体积受来流速度的影响较小,鱼礁在潮流速度大的海域和潮流速度小的海域均可产生相对稳定的流场效应;人工鱼礁的流场规模随迎流角度的增加而增大;以流场效应最优为目标时,在礁体内部设置交叉型的导流板能够使上升流和背涡流区域的流场体积得到大幅度增加,有效提高流场效率。(2)四种梯形台鱼礁所受到的阻力和倾覆力矩皆小于立方对角面开孔鱼礁,说明礁体迎流面的倾斜角度越大,鱼礁所受作用力越小,礁体的稳定性就越高;当来流速度增大,鱼礁体受到的阻力值和倾覆力矩也逐渐增大,要想使人工鱼礁不产生失稳现象,人工鱼礁应投放在潮流速度较小的海域;迎流角度与鱼礁的稳定性具有较强的相关性,礁体模型阻力Fx(45°)是Fx(15°)的1.35倍,倾覆力矩M y(45°)是M y(15°)的1.33倍。(3)内部设置导流板的人工鱼礁获得的综合评价值要大于内部中空结构的鱼礁,说明设置导流板有助于达到更好的建设效果;综合效果较优的是A型梯形台和B型梯形台鱼礁,即当上底面棱柱长为2 m~2.5m时,梯形台鱼礁能够获得更优的综合建设效果;对于内部设置导流板的梯形台鱼礁,当迎流角度在30°~45°时可以获得最优的建设效果,因此,在实际投放人工鱼礁时宜将迎流角度控制在30°~45°之间。
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