图1 PIV测量系统试验装置示意图
Fig.1 Experimental equipment in the PIV system
摘要：采用粒子图像测速(PIV)二维流场测速技术和水槽模拟试验研究了人工鱼礁的流场效应，对单体开口比分别为0、0.04、0.16、0.25的人工鱼礁在来流流速分别为67、112、180 mm/s时产生的流场效应进行分析。结果表明：单体人工鱼礁流场效应中，开口比和来流流速均对流场效应产生影响，开口比越小，来流流速越大，流场中的上升流流速和背涡流面积就越大。研究表明，影响流场效应的主要因素是开口比，来流流速的影响程度次之。
关键词：人工鱼礁；粒子图像测速(PIV)；流场效应
人工鱼礁(以下简称鱼礁)具有良好的环境功能，不仅能够修复海洋生态环境和优化渔业结构，而且对于净化固体废弃物和发展休闲渔业也有良好作用。随着海洋牧场建设的深入展开，对鱼礁流场效应的研究取得了突破性进展。李珺等[1]采用大涡模拟(LES)紊流模式，对单体方形鱼礁的流场进行三维模拟试验，得到礁体不同结构的通透系数与礁体周围流场变化的数学模型；郑延璇等[2]利用计算流体力学CFD软件，采用RNGk-ε湍流模型，研究不同来流流速(0.3、0.5、0.8 m/s)下星体形鱼礁模型的流场效应，分析了礁体投放方式与流场效应的关系；李晓磊等[3]利用CFD软件，对定常流作用下方形鱼礁模型进行数值模拟，研究了礁体周围的三维涡结构。但有关人工鱼礁开口比和来流流速对流场效应影响的研究目前尚未见报道。本研究中，作者采用粒子图像测速(PIV)二维流场测速技术对单体鱼礁进行定量物理模型试验，再应用双因素方差分析法讨论鱼礁开口比和来流流速对流场效应的影响程度，以期为鱼礁开口比的选取和鱼礁的合理布局提供参考。
1.1试验装置
物理模型试验在大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室进行。试验用循环水槽长、宽、高分别为22.0、0.45、0.60 m。试验通过ADV流速仪在试验区前端控制所需流速，待流速稳定后，采用激光片光源照射模型礁体与水流方向垂直的中垂面流场，用CCD相机连续记录图像场，得到一个时间段的12位灰度图像，然后采用美国TSI公司的PIV测量系统，对鱼礁模型进行二维片流场的流动测量和流动显示，并由粒子成像系统对返回计算机的数据进行分析，得到片流场的流速矢量图。PIV测量系统试验装置示意图见图1。试验水流动力源由变频器(0～50 Hz)提供，当水槽中水深为0.5 m时可以提供0～250 mm/s的水流流速。根据重力相似准则，试验中几何相似的线性长度比λ(原型的线性长度与模型的线性长度的比值)为20[4]。本研究中选取原型所在位置的水流流速为0.8 m/s，对应模型所在位置的水流流速为180 mm/s，且变频器可以满足水流流速的需求。示踪粒子根据试验环境要求选用聚氯乙烯(PVC)粉。
1.2模型类型和试验工况
开口比是礁体迎流面孔洞在横向中垂面的投影面积与迎流面投影面积的比值。本次试验模拟实际鱼礁尺寸为边长2 m的立方块体，开口比分别为0、0.04、0.16、0.25。试验模型材料为有机玻璃，根据重力相似准则，模型边长为100 mm的立方块体，并且中心分别开有边长为0、20、40、50 mm的孔洞，4种单体鱼礁模型示意图如图2所示。
图1 PIV测量系统试验装置示意图
Fig.1 Experimental equipment in the PIV system
图2 开口比为0、0.04、0.16、0.25的单体鱼礁模型
Fig.2 Models of artificial reefs of cut-opening ratio of 0,0.04,0.16, and 0.25
2.1流场效应评价指标
鱼礁投置于海底后产生的上升流可以促进上下层海水的交换，扩大基础饵料和营养盐的分布水平，易于诱集各层鱼类形成渔场；背涡流可以形成流体力学阴影区域[5]，提供鱼类休憩和躲避强水流的场所。本研究中流场效应的评价指标选取平均上升流流速和背涡流面积，如果流场中平均上升流流速较大和背涡流面积较大，则判定鱼礁流场效应较显著。流场矢量数据提取于连续时间段内鱼礁纵向中轴流场矢量图中流场效应最明显的时刻(图3)。平均上升流流速为礁体迎流面一端的水流分离点前一定范围内垂直流速的平均值(9组数据)；背涡流面积为礁体后侧产生最大涡旋区域的面积。
2.2流场效应分析
从图3可见：单体鱼礁流场中开口比为0的鱼礁背涡流区域较大，涡流明显，并且随着来流流速的减小，涡心位置升高，开口比由0增至0.25时，礁体中心区域水流流量增大，背涡流区域涡流面积减小，且形成礁体后侧上下两个涡流区域；上升流流速随着来流流速的增加而增大，来流流速较大时礁体周围的流场矢量分布呈现出明显的变化规律，即来流流速越大上升流高度越大，对背涡流影响就越大，当来流流速为67 mm/s时流场矢量分布规律不明显，这是因为实际物理模型试验中，流速越小，流场受到周围环境因子的影响就越大，如水槽两侧玻璃对水流的黏滞性和PVC粉的不稳定性等。
图3 鱼礁纵向中轴流场矢量图
Fig.3 The velocity vector diagram of longitudinal axis in the artificial reefs
2.2.1 上升流流速 从图4可见：在相同来流流速工况下，单体鱼礁随着礁体开口比由0增至0.25时，平均上升流流速逐渐降低，平均上升流流速与来流流速的比值逐渐降低，分别降低了34.67%、21.35%、15.31%、10.7%，这是因为开口比越小，礁体迎流面受到空隙的分流就越少，礁体上侧的流管效应也越强；在开口比相同的工况下，随着来流流速的降低，平均上升流流速逐渐降低，平均上升流流速与来流流速的比值呈降低趋势，比值分别降低了24.67%、21.40%、15.45%，即来流流速越大，流场中上升流流速越大。其中，开口比为0的鱼礁流场中，平均上升流流速与来流流速比值为0.25～0.42。刘洪生等[6]的风洞试验结果表明，正方体模型在实际来流流速为0.4、0.6、0.8 m/s的工况下，平均上升流流速为来流流速的0.3倍。本试验结果与此结果基本吻合。
图4 平均上升流流速与来流流速比值随开口比的变化
Fig.4 The curves of the ratio between average upwelling velocity and incoming flowing velocity with different cut-opening ratios in the flow field
2.2.2 背涡流面积 从图5可见：在相同来流流速工况下，单体鱼礁的开口比由0增至0.25时，背涡流面积逐渐减小，平均背涡流面积分别为7734.7、4325.4、2578.5、1148.1 mm2，即随着开口比的减小，背涡流面积逐渐增大，这是因为礁体中心贯穿空隙越小，流经礁体中心至礁体后侧的水流流量就越低，也就越有利于形成背涡流，所以选择开口比较小的鱼礁有利于增大礁体后侧背涡流的面积；在开口比相同的工况下，随着来流流速的增大，背涡流面积逐渐增大，平均背涡流面积分别为4925.4、3850.1、3064.5 mm2。
图5 背涡流面积与礁体迎流面面积比值随开口比的变化
Fig.5 The curves of ratio between area of reverse vortex and area of incident flow surface with different cut-opening ratios in the flow field
2.3开口比和来流流速对流场效应影响的双因素方差分析
采用无重复双因素方差分析法[7]对试验数据进行分析，步骤如下：
本研究假设开口比为因素A，来流流速为因素B。通过双因素方差分析研究鱼礁流场开口比和来流流速对平均上升流流速与来流流速比值的影响[8]。从表1和表2可见：当显著性水平α为0.05时，因素A和B均表现出显著性影响(P<0.05)，表明在本次物理试验中，鱼礁开口比和来流流速对平均上升流流速与来流流速比值均有显著性影响；当显著性水平α为0.01时，因素A表现出极显著性影响(P<0.01)，而因素B则无极显著性影响(P>0.01)。根据上述分析可知，礁体的开口比是影响鱼礁流场效应的主要因素，而流场中来流流速对鱼礁流场效应的影响程度次之。
表1平均上升流流速与来流流速比值的双因素方差分析
Tab.1Varianceanalysisofratiobetweenaverageupwellingvelocityandincomingflowingvelocity
方差因素factor平方和SSsumofsquare自由度fdegreesoffreedom均方和MSmeansumofsquareF值FvalueA973 363324 4536 52B174 70287 359 83误差error53 3168 88总离差totaldeviation1201 3711
表2不同因素的显著性分析
Tab.2Significanceanalysisbetweendifferentfactors
显著性水平levelofsignificance因素factorF值FvalueF1-α(n1，n2)显著性significantα=0 05A36 524 76P<0 05B9 835 14P<0 05α=0 01A36 529 78P<0 01B9 8310 92P>0 01
通过双因素方差分析研究鱼礁流场开口比和来流流速对背涡流面积的影响。从表3和表4可见：当显著性水平α为0.05时，因素A和B均表现出显著性影响(P<0.05)，表明在本次物理试验中，鱼礁开口比和来流流速对背涡流面积均有显著性影响；当显著性水平α为0.001时，因素A表现出极显著性影响(P<0.001)，而因素B则无极显著性影响(P>0.001)。根据上述分析可知，在鱼礁流场效应中，礁体的开口比是影响背涡流面积的主要因素，而流场中来流流速对其影响程度次之。
表3背涡流面积的双因素方差分析
Tab.3Varianceanalysisofreversevortexarea
方差因素factor平方和SSsumofsquares自由度fdegreesoffreedom均方和MSmeansumofsquareF值FvalueA72589868324196623119 00B69822012349110117 17误差error12199686203328总离差totaldeviation8079203711
表4不同因素的显著性分析
Tab.4Significanceanalysisbetweendifferentfactors
显著性水平levelofsignificance因素factorF值FvalueF1-α(n1，n2)显著性significantα=0 05A119 004 76P<0 05B17 175 14P<0 05α=0 001A119 0023 70P<0 001B17 1727 00P>0 001
(1)开口比是影响鱼礁流场效应的主要因素，来流流速对流场效应的影响程度次之。开口比越小和上升流流速越大时，背涡流面积越大；来流流速越大和上升流流速越大时，背涡流面积越大。
(2)选择近岸海域流速较大区域投放开口比较小的单体鱼礁可以获得较大的上升流流速和背涡流面积，这样可促进上下层海水交换、增加溶氧量和增加营养物质的利用率，为水生生物提供良好的饵料场，使人工海洋牧场的集鱼效果更为显著。
参考文献：
[1] 李珺，林军，章守宇.方形人工鱼礁通透性及其对礁体周围流场影响的数值试验[J].上海海洋大学学报，2010，19(6)：836-840.
[2] 郑延璇，关长涛，宋协法，等.星体形人工鱼礁流场效应的数值模拟[J].农业工程学报，2012，28(19)：185-193.
[3] 李晓磊，栾曙光，成勇，等.立方体人工鱼礁背涡流的三维涡结构[J].大连海洋大学学报，2012，27(6)：572-577.
[4] 吴持恭．水力学:下册[M].北京：高等教育出版社，2008.
[5] 黑木敏郎，佐藤修，尾崎晃.魚礁構造の物理学的研究Ⅰ[M].函馆：北海道水產部，1964：1-19．
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[7] 王式安．数理统计[M].北京：北京理工大学出版社，1995.
[8] 付东伟，栾曙光，张瑞瑾，等.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[J].大连海洋大学学报，2012，27(3):274-278.
Abstract：The flowing field of artificial reefs was studied in single cube artificial reefs with monomer cut-opening ratio of 0,0.04,0.16,and 0.25 at three different incoming velocities of 67, 112,and 180 mm/s by PIV (particle image velocimetry) two-dimensional flow field measurements and water channel physical investigation. The results showed that the opening ratio and the incoming flowing velocities showed an influence on the flowing field of the single cube artificial reefs, with the more incoming flowing velocities at the less opening ratio in the artificial reefs and the higher upwelling average velocity at the larger areas of reverse vortex, indicating that the major factor influencing upwelling average velocity and area of reverse vortex was the opening ratio of the artificial reefs, followed by the incoming flowing velocity.
Key words：artificial reef; particle image velocimetry; flowing field effect
DOI：10.3969/J.ISSN.2095-1388.2014.01.017
文章编号：2095-1388(2014)01-0082-04
收稿日期：2013-05-05
基金项目：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)
中图分类号：S931
文献标志码：：A