人工鱼礁开口比和迎流面形状对流场效应影响的双因素方差分析

付东伟,栾曙光,张瑞瑾,陈勇

(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连116023;2.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁大连116023;3.辽宁省高校近岸海洋环境科学与技术重点实验室,辽宁大连116023;4.大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心,辽宁大连116023)

人工鱼礁开口比和迎流面形状对流场效应影响的双因素方差分析

付东伟1,栾曙光1,张瑞瑾2、3,陈勇4

(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连116023;2.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁大连116023;3.辽宁省高校近岸海洋环境科学与技术重点实验室,辽宁大连116023;4.大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心,辽宁大连116023)

采用基于计算流体动力学模型的方法对人工鱼礁流场效应进行数值模拟,选取单体人工鱼礁模拟近岸海域的鱼礁流场,对其附近流场进行三维数值模拟,在此基础上应用双因素方差分析法分析了人工鱼礁开口比和迎流面形状对流场效应的影响。结果表明:人工鱼礁开口比是鱼礁流场效应的主要影响因素,开口比越小,水流受鱼礁阻隔程度越大,礁前上升流流速越大,背涡流紊流区域越明显,背涡流区域就越长;鱼礁迎流面形状对流场效应的影响次之。

人工鱼礁;开口比;迎流面形状;双因素方差分析;流场效应

近些年,由于过度捕捞和环境污染的影响,渔业资源逐渐衰退,因而世界各国加大了对渔业资源的修复与保护力度。实践证明,人工鱼礁(简称鱼礁)投放后会形成新的水域生态环境,对水生生物的繁殖和生长起着重要作用。随着鱼礁的大量投放,人们对鱼礁及其周围流场的研究也逐渐展开,主要集中在两个方面[1]:一是流体力学因素,研究了鱼礁投放后,海流所引起的礁体滑移、倾覆、沉陷和掩埋[2-4],即鱼礁的物理稳定性问题;二是空间几何因素,研究了礁体布局时的空间组合,即如何利用鱼礁模型不同的排列方式改变流场特征,提高鱼礁的集鱼效果[5-9]。

刘洪生等[7]和刘同渝[2]分别对实体与空心鱼礁流场效应进行了研究,并得出以下结论:相同来流速度下,实体鱼礁模型产生的流场效应显著,空心模型背涡流回流速度随模型空隙率的增大而减小;堆叠式鱼礁模型形成的各种流态最大,梯形鱼礁次之,半球形和三角锥体鱼礁最小。目前尚未见到有关人工鱼礁开口比和迎流面形状对流场效应影响程度的报道。本研究中,作者通过数值计算方法,对流速较大的近岸海域进行定量数值模拟研究,应用双因素方差分析法讨论了单体人工鱼礁的开口比和迎流面形状对流场效应的影响,以期为鱼礁形状的选取和鱼礁的合理布局提供参考资料。

1 数学模型

1.1 基本假设

根据对鱼礁周围流体特性的分析,作出基本假设:1)海水为不可压缩、定常、黏性流体;2)不考虑流场中的温度变化;3)流体为牛顿流体。

1.2 流体动力学控制方程[10]

数值计算遵循质量守恒和动量守恒定律,不可压缩流体的控制方程为连续方程和动量守恒方程(Navier-Stokes方程,简称N-S方程),分别为式中:u、v和w分别为X、Y和Z方向的速度分量;t为时间;ρ为密度;u为速度矢量;μ为动力黏度;p为压强;div为散度;grad为梯度;Su、Sv和Sw均为动量守恒方程的广义源项。

1.3 湍流的控制方程

在关于湍动能κ方程的基础上,再引入一个关于湍动耗散率ε的方程,便形成了κ-ε两方程模型,称为标准κ-ε模型。

标准κ-ε模型中湍动能κ和耗散率ε的方程如下:

式中:Gk表示由平均流速梯度引起的湍动能;Gb表示由浮力影响引起的湍动能;YM为可压湍流脉动膨胀对总耗散率的影响;湍流黏性系数μi=ρck2/ ε;C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09;湍动能κ与耗散率ε的湍流普朗特系数分别为σk=1.0,σε= 1.3。

2 试件及边界条件

迎流面即鱼礁在垂直于水流方向的表面形状。模型A迎流面为平面,与水流方向垂直;模型B迎流面为圆弧形,其各点切面与水流夹角的变化范围为0°～90°;模型C迎流面为斜向组合面,与水流方向的夹角为45°(图1)。

图1 人工鱼礁模型Fig.1 Models of artificial reefs

开口比即鱼礁迎流面在垂直于水流方向孔洞的投影面积与迎流面全投影面积的比值,孔洞均位于试件迎流面的形心处。本研究中设定开口比分别为0、0.2、0.4、0.6,则开口的边长分别为0、0.9、1.3、1.5 m。模型A、B、C外轮廓尺寸均为2 m× 2 m×2 m。

本研究中模拟近岸海域水深为20 m、水流速度为2 m/s状态下单体人工鱼礁的流场效应,其中100 m×30 m×20 m水体流场上边界选为对称边界,左边界为入口边界,右边界为出口边界。海底及鱼礁壁面为静止固定边界,摩擦系数为0.5。

3 结果与讨论

3.1 流场效应评价指标的选取

当鱼礁置于近岸海底后,阻挡了潮汐运动所形成的往复流,在鱼礁迎流面产生上升流,在背流面产生背涡流。上升流能够促进上下层海水的交换,增加了水体的溶氧量,促进了海底营养盐的泛起、扩散,能够增加海域的肥沃度;背涡流区域水流流速减小,可使饵料生物聚集,有利于附着生物的孳生,可以观察到明显的海底物质和营养盐的沉积[11]。

虞聪达等[6]对人工船礁的研究表明:鱼礁产生的最大上升流流速为来流流速的0.05～0.15倍。所以将垂直方向的流速分量大于0.1倍的来流流速的区域定义为上升流区域[12]。背涡流水平跨度是流影区域在来流方向的长度。本研究中,将上升流流速和背涡流的水平跨度作为鱼礁流场效应的评价指标。上升流流速越大,背涡流水平跨度越长,流场效应就越显著。

3.2 鱼礁开口比和迎流面形状对流场效应的影响

计算结果显示:开口比为0时,背涡流水平跨度为3.5 m,涡旋区域明显;开口比为0.6时,背涡流水平跨度近似为0,涡旋区域消失。开口比越小,上升流流速与来流流速的比值越大,礁后的缓流区域也就越大,背涡流的流速就越小,并呈现反向流的涡旋区域。随着开口比的增大,礁后的缓流区域呈现逐渐收敛趋势,流速的等值线越发密集,流速增大,反向流的涡旋区域逐渐消失(图2)。

从图3可见:在恒定流速为2 m/s的水域中,当开口比为0时,模型A的上升流流速为1.14 m/s,与来流流速的比值为0.57,模型B和模型C的上升流流速分别为0.78 m/s和0.65 m/s,与来流流速的比值分别为0.39和0.33;当开口比由0增至0.6时,最大上升流流速与来流流速的比值均逐渐降低。

从图4可见,开口比由0增至0.6时,背涡流的水平跨度急剧减小。当开口比为0时,模型A的背涡流水平跨度为3.5 m,模型B、C的背涡流水平跨度均为2.8 m;当开口比为0.6时,模型A、B、C的背涡流区域均消失。

图2 三组鱼礁模型在Y=0 m的平面内的速度矢量图Fig.2 The velocity vector diagrams of three categories of artificial reefs models when Y=0 m

图3 上升流流速与来流流速比值随开口比的变化Fig.3 The curves of ratio between upward flowing speed and incoming flowing speed with different cut-opening ratios

图4 背涡流的水平跨度随开口比的变化Fig.4 The curves in horizontal span of reverse vortex with different cut-opening ratios

图3 和图4还反映出开口比相同时迎流面形状对流场效应的影响程度。即模型A的上升流流速和背涡流的水平跨度均呈现较大值,模型B次之,模型C最小。说明与水流方向垂直的迎流面形状产生了较好的流场效应。模型A、B、C产生的上升流平均流速分别为0.80、0.578、0.47 m/s。刘洪生等[7]的风洞试验结果表明,不同礁体产生的平均上升流流速为来流速度的0.3倍,本研究结果与此结果基本吻合。

3.3 鱼礁开口比和迎流面形状对流场效应影响的双因素方差分析

本研究中,采用双因素方差分析法,以上升流流速与来流流速的比值以及背涡流水平跨度为依据,考察开口比和迎流面形状对鱼礁流场效应的影响。分析步骤如下[13]:

设有两个因素A和B,其中因素A有r个水平A1,…,Ar,因素B有s个水平B1,…,Bs,在每一种组合水平Ai×Bj下各进行m次(m≥2)独立重复试验。在因素A和因素B的各个水平下,每一种组合(Ai、Bj)的试验结果总体Xij服从正态分布N(mij,s2),将总体Xij的均值mij写成mij=m +ai+bj+cij(i=1,2,3,…,r;j=1,2,3,…, s),称m为总平均,称ai为Ai水平的效应,称bj为Bj水平的效应。进行假设检验,分析因素A、B对试验结果的影响程度。

待检假设:

(1)H0A:a1=a2=…=ar=0,

H1A:a1,a2,...,ar不全为0,

(2)H0B:b1=b2=…=br=0,

H1B:b1,b2,…,br不全为0。

根据F值判断因素作用效果是否显著。当α分位点为0＜α＜1时,若

则拒绝假设H0A,即因素A有作用效果;否则,接受假设H0A,即因素A无作用效果或作用效果不显著。若

则拒绝假设H0B,即因素B有作用效果;否则,接受假设H0B,即因素B无作用效果或作用效果不显著。

假设因素A为开口比,因素B为迎流面形状。根据双因素方差分析原理对上升流流速与来流流速的比值进行方差分析,结果见表1、表2。由表2可见:在显著性水平α=0.05的情况下,因素A和因素B在本试验中影响效果显著(P＜0.05),即在数值模拟试验中鱼礁模型的开口比和迎流面形状均对上升流流速产生影响,且影响效果显著;在显著性水平α=0.01的情况下,因素A在本试验中影响效果极显著(P＜0.01),而因素B在本试验中无极显著影响效果(P＞0.01),即在数值模拟试验中鱼礁模型的开口比对上升流流速影响非常明显,而鱼礁模型迎流面形状对上升流流速影响次之。由此可知,鱼礁的开口比是流场效应中影响上升流流速的主要因素,而鱼礁的迎流面形状对上升流流速的影响程度次之。

表1 上升流流速与来流流速比值的方差分析Tab.1 Variance analysis of ratios between upward flowing speed and incoming flowing speed

表2 不同因素的显著性分析Tab.2 Significance analysis between different factors

根据双因素方差分析原理对背涡流流域的水平跨度进行方差分析,结果见表3和表4。

表3 背涡流流域水平跨度的方差分析Tab.3 The variance analysis horizontal span of reverse vortex flow

表4 不同因素的显著性分析Tab.4 The significance analysis between different factors

由表4可见:在显著性水平α=0.05的情况下,因素A在本试验中影响效果显著(P＜0.05),因素B在本试验中影响效果不显著(P＞0.05),即在数值模拟试验中鱼礁模型的开口比对背涡流水平跨度产生影响,且影响效果显著(P＜0.05),而迎流面形状对背涡流水平跨度影响次之,但效果不显著(P＞0.05)。由此可知,鱼礁的开口比是流场效应中影响背涡流水平跨度的主要因素,鱼礁的迎流面形状对背涡流水平跨度的影响程度次之。

综上所述,鱼礁的开口比是流场效应的主要影响因素。

4 结论

本研究中,采用数值计算方法分析了不同开口比和不同迎流面形状对流场效应的影响,结果表明:

1)鱼礁的开口比是流场效应的主要影响因素,鱼礁的迎流面形状对流场效应的影响次之。

2)迎流面形状相同的鱼礁开口比从0增至0.6时,上升流流速逐渐降低,背涡流区域水平长度逐渐减小。

3)开口比相同而迎流面形状不同的鱼礁,迎流面为平面时形成的上升流流速最大,背涡流区域水平跨度最大;迎流面为圆弧面时形成的上升流流速次之,背涡流区域水平跨度次之;迎流面为斜向组合面时形成的上升流流速最小,背涡流区域水平跨度也最小。

4)迎流面形状对上升流的影响显著,对背涡流的影响次之。

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Two-way analysis of variance of effects of cut-opening ratio and surface shape facing flowing in artificial fish-reefs on the flowing field

FU Dong-wei1,LUAN Shu-guang1,ZHANG Rui-jin2,3,CHEN Yong4
(1.College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.College of Marine Science and Environment, Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;3.Key Laboratory of Inshore Marine Environmental Science and Technology of Liaoning Universities,Dalian 116023,China;4.Center for Marine Ranching Engineering and Science Research of Liaoning,Dalian Ocean University, Dalian 116023,China)

The flowing field of artificial fish-reefs was simulated numerically by computational fluid dynamics method,and an individual artificial fish-reef was chosen to simulate the three dimensional flowing field in coastal sea. The effects of opening ratios and surface shape facing flowing of fish-reefs on flow field were analyzed by two-way analysis of variance.The result showed that the opening ratio of the fish-reef was the major factor influencing flowing field,that the less the opening ratio of artificial reefs was,the more significantly water flow was obstructed,the faster the speed of upward flowing before reef,the more noticeable the turbulence of reverse vortex flow was,the longer the reverse vortex flow area was,and that,the effect of the shape of reef was surface on flow field was found to be less significant than that of the opening ratio of artificial reefs.

artificial reef;opening ratio;shape of reef surface;two-way analysis of variance;flow field effect

S931

A

2095-1388(2012)03-0274-05

2011-06-08

国家“863”高技术发展计划项目(2006AA100303);国家海洋局海洋公益性行业科研专项(200805030)

付东伟(1987-),男,硕士研究生。E-mail:fudongwei8866@163.com

栾曙光(1954-),女,教授。E-mail:shugluan@qq.com