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1、人工鱼礁设计优化的试验与仿真研究近年来 , 随着海洋渔业资源的衰减和海洋生态环境不断地遭到破坏, 人们对海洋环境的保护意识逐渐增强。在保护、 增殖海洋生物资源和修复海洋生态环境的工作中, 投放人工鱼礁、建设海洋牧场是重要保护措施之一。人工鱼礁投放到海底后, 其复杂的内部结构既能为幼鱼提供庇护, 又可在波流的作用下形成不同特点的流场如上升流、涡流等, 从底层带动营养物质的扩散并吸引鱼群, 长期的人工鱼礁建设可有效改善周围海域的生态环境。保证人工鱼礁生态效应的长期稳定, 人工鱼礁的设计和优化是非常重要的。一般来说 , 在礁体设计和优化中主要考虑的因素包括两方面: 礁体的稳定性和礁体的流场效应。据此
2、 , 本文以模型试验和数值仿真为研究手段, 开展了以下三个方面的研究工作: 首先 , 本文采用平面拉动法对6 种不同开口比人工鱼礁模型的最大静摩擦系数进行测量, 并分析了底质粒径、底质含水率、加载质量、人工鱼礁底面开口比特征等因素对最大静摩擦系数的影响,利用SPS欹件对测量结果进行处理分析后得到结果:(1) 含水率为饱和条件下, 底质为砾石和砂质时最大静摩擦系数随底质粒径的减小而增大, 底质为粉砂粘土时最大静摩擦系数则明显变小 ;(2) 底质为粉砂粘土时最大静摩擦系数随含水率的增加先增大后减小, 含水率为35%时最大静摩擦系数达到最大值;(3) 各底质条件下最大静摩擦系数均随加载质量的增加而减
3、小, 随礁体底面开口比的增大而增大, 且与底面开口位置无关。该模型试验的结果可为人工鱼礁礁区的选址和底面开口比的设计方面提供参考。数值仿真研究在人工鱼礁研究中已经获得了广泛应用, 本文中以车叶型人, 采用计算流体力学数值模拟方法和水池试验法分别得到礁体所受的水流阻力, 对比两者的阻力系数, 结果显示两者平均误差为5.35%,验证了数值模拟方法在人工鱼礁水动力学性能计算分析上的可靠性。在此基础上, 进一步运用计算流体力学对3 种不同迎流面设计的回字中空型人工鱼礁在5 组水流和近海波浪条件下的稳定性系数和流场造成功能系数进行了数值分析,结果表明：(1)在12m水深处，当水流速度小于1.0m/s时,
4、3种礁型的抗滑移和抗翻滚系数均大于1.0;(2) 当水流速度逐渐增大超过1.0m/s 后 , 各礁型的稳定性系数逐渐变小，其中A礁在流速增大为1.2m/s时开始趋向失稳。礁相对稳定性最好;(3) 同一礁型在不同水流速度下的上升流体积、上升流相对速度、上升流相对高度、背涡流相对高度与背涡流相对长度等流场造成功能差异很小;(4)同一水流速度下，A礁产生的上升流体积为 C礁产生上升流体积的2.46 倍,A礁和B礁所形成的背涡流形态相对于C礁更为清晰,涡流特征明显可见。该部分的仿真研究结果表明礁体迎流面的设计应兼顾稳定性和流场效应两个方面。最后,本文选取在惠东箕寮湾已经投放且取得良好效果的两种迎流面不
5、同的礁型进行组合, 根据前后礁的顺序和礁体纵向间距的变化, 设计 8 种不同的礁体组合模式, 采用计算流体力学数值方法计算并研究不同流速下各组合模式的稳定性和流场效应, 结果显示:(1) 礁体布设间距对礁体组合稳定性的影响较小, 但对上升流和背涡流的体积影响较大,8 种组合模式的上升流体积均随间距的增大而减小 , 背涡流的体积则与礁体的组合模式有关, 当前后礁为相同礁型及迎流面小的礁在前时, 背涡流的体积随间距的增大而增大, 当迎流面大的礁在前时, 背涡流的体积随间距的增大而减小;(2) 前礁礁型是影响礁体组合稳定性的重要因素, 当迎流面大的礁体作为前礁时, 此时礁体组合较其他组合的稳定性较好; 同种礁型组合时 , 迎流面小的前礁的稳定性要比迎流面大的前礁的稳定性好, 后礁的稳定性则相反;(3) 礁体组合方式对上升流体积的影响可以用组合迎流指数表示, 取上升流造成效果较好的单倍礁宽的4 种组合方式为例, 礁体组合的上升流体积与组合迎流指数有很强的正相关性, 相关系数为96.2%;(4) 各组合涡核的分布范围显示,B-B组合模式涡核分布范围最广，A-A组合方式涡核分布范围最小人礁作为前礁时 , 礁间和礁后区域的涡核数量与其他组合方式相比均有明显降低。该部分的研究结果表明, 礁体组合设计中应重点考虑前礁的结构特点对流场效应的影响。