人工鱼礁是一种提高海洋渔业产量、增殖渔业资源、优化生态环境的人工构造物[1]。通过在水下放置人工鱼礁，使海藻等附着在礁体表面上，对鱼类等海洋生物起到聚集的作用，且不同结构的人工鱼礁布置也会改变一定区域内的流态分布，尤其是在礁体内部和背流区域内流速较小，可使鱼类进行繁殖，起到对整个海洋资源增殖的效应[2]。目前，关于人工鱼礁的研究主要分为数值模拟和模型试验，数值模拟主要集中在对不同结构特性和不同工况下人工鱼礁所在的海域流场分布进行分析，模型试验主要分为水槽集鱼效果试验、PIV模型试验等。黄远东等[3-4]为研究人工鱼礁在不同流速影响下上升流和背涡流的分布情况，选取三棱柱型及方型礁体进行了模拟。李珺等[5]在同一工况作用下对不同通透方式的立方体人工鱼礁进行了研究。刘洪生等[6]在相同流速作用下，对实心人工鱼礁和空心人工鱼礁进行了试验，结果表明，实心礁型产生的流场效应比空心礁型显著。周艳波[7-9]采用试验方法研究了不同人工鱼礁模型对花尾胡椒鲷Plectorhinchus cinctus、黑鲷Sparus macrocephlus和褐菖鲉Sebastiscus marmoratus的诱集效果，以及多种人工鱼礁模型组合对紫红笛鲷Lutjanus argentimaculatus幼鱼的诱集效果，研究结果发现，框架型人工鱼礁的集鱼效果比其他结构的礁体显著。目前，在人工鱼礁的研究中以对单礁及组合礁的流态、布设的研究为主，而对不同礁型间的流场效应的数值模拟及对比分析研究还有待进一步开展。
鉴于国内外学者已经证实了运用ANSYS CFX 软件可有效地进行流场效应分析[10-11]，本研究中基于Computational Fluid Dynamics(CFD)方法，运用ANSYS CFX软件，并选取较为常用[12-14]的框架型和沉箱型人工鱼礁结构进行数值模拟，其中框架型礁体选取六面柱形罩式钢筋混凝土礁，沉箱型礁体选取方形空心开口钢筋混凝土礁。通过对比分析这两种礁体周围的流线及其矢量变化、压强变化及上升流和背涡流的变化情况，研究了这两种礁体类型的流场效应变化，以期为人工鱼礁投放海域的合理选址、结构设计和生态诱集效果分析提供参考依据。
1 数学模型
1.1 模型方程
对于多数物体绕流都属于湍流流动，湍流是一种非稳态的复杂且不规则的三维流动，本研究中控制方程采用定常、不可压缩流动下的连续性方程和N-S方程，而湍流模型则选取常用的RNGk-ε模型。方程离散采用QUICK格式，针对结构网格，使用加权和插值的混合形式给出边界点上的值。对于一般的可压缩牛顿流来说守恒定律通过如下控制方程描述[15-16]。
质量守恒方程：
·(ρfν)=0。
(1)
动量守恒定律：
·(ρfνν-τf)=ff。
(2)
其中：t为时间；ff为体积力矢量；ρf为流体密度；ν为流体速度矢量；τf为剪切力矢量，其计算公式为
τf=(-p+μ·ν)I+2μe。
(3)
式中：p为流体压力；μ为动力粘度；e为速度应力张量，其计算公式为
e=1/2(ν+νT)。
(4)
1.2 人工鱼礁类型
本研究中采用两种人工鱼礁类型，框架型礁体为六面柱形罩式钢筋混凝土礁，边长×高分别为2 m×4 m，六柱面分别设有6个0.5 m×0.9 m矩形开口，如图1所示；沉箱型礁体为方形空心开口式钢筋混凝土礁，边长×高分别为3 m×3 m，顶面设有1个半径为0.4 m的圆形开口，四面分别设有4个半径为0.4 m圆形开口，如图2所示。
采用通用CFD软件包ANSYS CFX对两种人工鱼礁周围流场进行数值模拟。模拟计算区域尺寸为70 m×30 m×30 m。在礁体底部中心建立三维坐标系，X轴正向为入射方向，以排除迎流角对流态的影响，入射方向与迎流面的角度均为90°。为研究礁体背流面区域的流态变化，将两种礁体中心均置于距入射边界15 m、距出口边界55 m处，这可使背流面区域较大，能更有效地观察背涡流的变化情况。为研究两种礁体内部压强，对这两种礁体分别设定6个剖面。框架型：Y轴方向Y1～Y3依次对应迎流面左口中心、轴中心、右口中心3个剖面；Z轴方向Z1～Z3依次对应垂向3层开口的中心剖面。沉箱型：Y1～Y3依次对应迎流面左口圆心、轴中心、右口圆心3个剖面；Z1～Z3依次对应垂向下层圆心、轴中心、上层圆心3个剖面。
1.3 边界条件与网格划分
本研究中考虑到模型投放海域的水深为30 m[17]，由于波浪对模型的影响较小，故忽略波浪对模型的影响，且考虑投放的海域流速以不超过1 m/s为宜，本试验中选取来流速度为0.5 m/s进行模拟计算。郑延璇等[18]研究表明：对礁体而言，计算域的长度、宽度、高度的设定分别为礁体长度的9倍(鱼礁前方3倍，鱼礁后方5倍)、礁体宽度的6倍和礁体高度的4倍时，就能正确地反映人工鱼礁周围流场的情况，本试验中模型的设置均为满足。对于计算边界的设定，计算域上部为自由滑移边界，人工鱼礁于水域中无翻滚、无滑移，水底区域边界与计算域两侧边界均采用无滑移边界条件，计算域流出口距离为15倍礁长，则为自由出流条件。本试验中单元网格划分采用ANSYS的Automatic网格划分方法，这种方法是在四面体和扫掠型网格之间进行切换，这取决于整体结构，如果遇到不规则的地方就生成四面体网格，如果规则的空间结构就生成六面体网格。本试验中建立的计算域尺寸较大且形状为立方体，所以在对其划分网格时，采用六面体网格，而对礁体及礁体周围流场进行局部加密，网格采用四面体。整个流体域节点一共有374 844个，网格单元一共有96 374个，迭代步数为4000步，具体划分如图3、图4所示。
2 结果与讨论
2.1 框架型与沉箱型礁体的压强分析
图5和图6为两种礁型Y轴方向Y1～Y3与Z轴方向Z1～Z3剖面压强云图。由图5可以看出，框架型礁体背流区压强分布较为均匀，礁体内部迎流面进流口处压强达到最大值为145 Pa，以轴中心对称的Y1与Y3剖面两者压强分布基本一致，说明礁体内部的压强以中心剖面呈对称式分布，而水平方向Y1与Y3的上、下层进流口处分布的压强随着水流流动逐渐减小，呈向顶部中心方向变化趋势，中层进流口处表现为平直，这是由于礁体底部涡旋的出现(由Y2也可知)使下层来流沿涡流向上流动，而上层进流口处压强分布由于礁体顶部开口作用导致部分水体向上流出，因而呈向顶部中心方向逐渐减小趋势。对比垂直方向Z1～Z3三层剖面压强分布，Z1层由于底部中心的涡旋，使左右两侧进流口处来流分别绕涡旋向两侧流动，使两侧出流口压强相对增强；由Z2层可以发现，从进流口到出流口，压强平直分布，并逐渐降低；Z3层礁体中心处压强分布相对较低。
观察图6沉箱型礁体中Y1～Y3剖面压强分布可以发现，Y1剖面礁体内中心部位与底部的压强较小，上层进流口处压强分布呈向上趋势。对比Y1、Y2及Y3剖面的背流区域压强分布，三层剖面各不相同，表明沉箱型礁体背涡流的水平分布呈不均匀状态。礁体顶部区域压强较小，并产生了上升流，上升流影响的范围为0.5倍礁高，且上升流的产生使背涡流垂向区域流态变化的影响增大。垂向Z1～Z3剖面压强分布情况，Z1层礁体内来流压强分别趋向两侧，礁体中心部位压强较小，礁体外部两侧有0.5倍礁宽的压强变化，使背涡流水平区域流态变化的影响增大。由于水平与垂向压强分布变化区域均有0.5倍增大，则沉箱型礁体在背流空间区域流态影响增大。对比垂向Z1～Z3剖面礁体背涡流区域压强空间分布不均匀，说明沉箱型礁体与框架型礁体在背涡流区域内流态分布有一定差异。
图1 框架型礁体示意图
Fig.1 Schematic diagram of the frame type reef
图2 沉箱型礁体示意图
Fig.2 Schematic diagram of the caisson reef
图3 单元网格划分图
Fig.3 Division of element grid
图4 计算域示意图
Fig.4 Diagram of computation region
图5 框架型礁体Y1～Y3(上层由左至右)与Z1～Z3(下层)剖面局部压强云图
Fig.5 Nephogram of local pressure of frame reef Y1-Y3(upper left to right)and Z1-Z3(lower level)sections
图6 沉箱型礁体Y1～Y3(上层由左至右)与Z1～Z3(下层)剖面局部压强云图
Fig.6 Nephogram of local pressure of caisson reef Y1-Y3(upper left to right)and Z1-Z3(lower level)sections
2.2 框架型与沉箱型礁体流场分析
图7为框架型礁体典型剖面流线云图与速度矢量云图。从图7-(a)可以观察到由上层进流口进入的水流一部分从顶部开口处流出，另一部分从背流面上层开口处流出；由中层进流口进入的水流平直地从背流面中层开口处流出；由下层进流口进入的水流，由于在礁体内底部出现了涡旋，使水流分别从中层与下层开口流出。从图7-(c)可以观察到流体运动的速度矢量变化情况，水流流经礁体后，流速降低，在背流区域1倍礁长范围内流速平均为来流速度的0.5倍，在背涡流涡旋部位流速迅速降低，背涡区的影响范围为2倍礁长。在垂向上，框架型礁体对上升流的影响较小，上升流变化的区域仅为礁高的0.25倍。从图7-(b)俯视图可以发现，最高流速出现在礁体右端角处，使右端的流速有部分增强。在背涡区域可以发现有明显的涡流形成，结合图7-(d)速度矢量的变化发现，在水平上，礁体两侧流速变化较小，且礁体对周围流场的影响范围较小，仅改变背部区域流场的变化。
图8为沉箱型礁体典型剖面流线云图与速度矢量云图。从图8-(a)可以发现，礁体内部产生多个涡旋，由于顶部开口影响，使距礁体顶部0.5～1.0倍高度区域的上升流流速发生明显增大。对应图8-(c)涡旋产生的位置为礁体底部边角处和上下开口间，使流体刚进入礁体时流速增强，但礁体中心部位及下部流速较低。由图8可以发现，流体流经礁体过程为，从上层开口进入流体分为两部分，一部分从顶部、两侧及背部开口流出，另一部分与从下层开口进入的一部分流体形成了中心部位的涡旋，而从下层开口进入的另一部分流体则是底部及边角处涡旋产生的主要因素。而礁体周围顶部及两侧均产生一定的涡旋，导致顶部产生上升流，使顶部在0.5倍礁高处流速最大，这与崔勇等[19]关于星体型鱼礁的数值模拟中上升流流速最大值位置出现在礁体顶部0.5倍礁高处的结果较为一致，相应的两侧在0.5倍礁宽处流速最大。从图8-(b)及图8-(d)可以发现，礁体边角部位不断有涡旋的产生、脱落，使背涡流区域产生了明显的涡旋，而背涡流影响的区域为2倍礁长，这与刘同渝[20]得出的鱼礁背部的影响范围可达礁体长度的2.0～3.0倍基本相符。
对比框架型礁体与沉箱型礁体可以发现，两者礁体背部均有背涡流产生，但沉箱型礁体的背涡流影响区域比框架型大，这是由于在沉箱型礁体的两侧及顶部均产生了涡旋，涡旋使流速增强的同时，也使整体的影响区域增大。在礁体内部，框架型礁体在底部产生了涡旋，而沉箱型礁体在底部及中心处均产生了涡旋，这是由于两种礁体设置的迎流面开口位置不同所导致，框架型礁体迎流面开口之间距离较小，使流体进入后大部分直接流出，沉箱型迎流面开口之间距离较大，使流体进入形成涡旋后再流出。
3 结论
人工鱼礁绕流，具有不稳定、非定常的特性，且对于涡旋的发展演化等一系列非线性问题是流体力学研究的前沿课题。本研究中采用CFD方法，对框架型和沉箱型人工鱼礁周围的流场进行数值模拟，比较了两种类型鱼礁的压强分布、流线分布和速度矢量分布特性，对上升流和背涡流区的流态进行分析，得到结论如下：
(1) 两种礁体内部均产生了涡旋，框架型礁体的涡旋在底部出现，沉箱型礁体涡旋在底部及中部出现，且沉箱型礁体涡旋范围均大于框架型礁体。
(2) 对比发现，框架型礁体外部左右区域基本没有压强变化，背涡区压强空间分布较为均匀；而沉箱型外侧左右两端有0.5倍礁宽的压强变化，背涡区压强空间分布不均匀。
(3) 沉箱型礁体，由于顶部开口影响，使距礁体顶部0.5～1.0倍高度区域的上升流流速发生明显增大。两侧面涡旋的出现，使背涡流区域的空间影响范围增大。
(4)综合比较两种礁体的背涡流和上升流区的范围和强度，在相同模拟工况下，框架型产生的流场效应更优，能更好地发挥鱼礁的集鱼效果。
图7 框架型礁体典型剖面流线云图与速度矢量云图
Fig.7 Nephogram of streamline and velocity vector of frame reef typical sections
图8 沉箱型礁体典型剖面流线云图与速度矢量云图
Fig.8 Nephogram of streamline and velocity vector of caisson reef typical sections
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