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浮筏式贻贝养殖设施阻流效应的数值模拟

水产学报 2024年

作者：谭益国钟威林军赵静上海海洋大学海洋牧场工程技术研究中心上海海洋大学自然资源部海洋生态监测与修复技术重点实验室上海海洋大学海洋科学与生态环境学院

为探究不同布设条件下浮筏式贻贝养殖设施的阻流效应，本研究采用计算流体力学方法（CFD）模拟了5种迎流角度、3种养殖间距下浮筏式贻贝养殖设施的流场效应。选取水体输运速度、输运通量、单串可滤水量对其阻流效应进行评价。结果显示... 详细信息

为探究不同布设条件下浮筏式贻贝养殖设施的阻流效应，本研究采用计算流体力学方法（CFD）模拟了5种迎流角度、3种养殖间距下浮筏式贻贝养殖设施的流场效应。选取水体输运速度、输运通量、单串可滤水量对其阻流效应进行评价。结果显示，在浮筏式养殖设施的影响下，养殖范围内较来流速度最高衰减程度达20.40%，垂向影响深度为6～7 m。养殖设施以0°角迎流时，阻流效应较小，而以45°及90°迎流时，养殖设施引起的水体输运通量减小幅度最大可达11.30%。当贝串养殖间距为0.80及0.70 m时，不同迎流角度条件下养殖设施阻流效应差异较小，而当养殖间距减小至0.60 m时，阻流效应更为显著。就水体输运能力而言，不同养殖间距下均表现为0°迎流条件下，中上层水体输运能力较强，30°与45°迎流角度下输运能力较弱；单串可滤水量的测算结果显示，15°迎流条件下，单串可滤水量较高。研究表明，0.7～0.8m是相对合理的养殖间距，养殖设施以15°迎流时可滤水量较佳且流速降幅较小，能保证后方贝串获取新鲜海水，综合以0～15°迎流最优。本研究可为滤食性贝类养殖设施布局优化、养殖容量测算等提供科学参考。

关键词：贻贝浮筏式养殖阻流效应迎流角度养殖间距可滤水量数值模拟

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振荡流下二维单椭圆柱体水动力特性研究

水动力学研究与进展A辑 2024年第03期 425-433页

作者：阮黎于定勇李现琦房子昂中国海洋大学工程学院

椭圆柱体的流线型结构有助于降低应力集中，增强结构稳定性。为研究椭圆柱体在振荡流作用下的水动力特性，该文利用Fluent数值模拟了雷诺数Re=200，迎流角度θ=15°、30°、45°、60°、75°和90°，轴长比RA=0.5、0.6、0.7、0.8和0.9... 详细信息

椭圆柱体的流线型结构有助于降低应力集中，增强结构稳定性。为研究椭圆柱体在振荡流作用下的水动力特性，该文利用Fluent数值模拟了雷诺数Re=200，迎流角度θ=15°、30°、45°、60°、75°和90°，轴长比RA=0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的椭圆柱体绕流过程，分析了柱体的流场特性和水动力参数等变化规律。结果表明：振荡流正向来流时，小轴长比的椭圆柱体尾涡沿顺流方向发展，随着轴长比及迎流角度的增大，椭圆柱体尾涡的强度、尺寸、脱落周期和影响范围增大，柱体两侧脱落的涡对数量增多，尾流迹线增长，偏转角度增大；迎流角度θ=0°～90°时，随着θ的增大，椭圆柱体的拖曳力系数CD不断增大，惯性力系数CM先减小后增大，升力系数均方根Cl-rms先增大后减小，CM和Cl-rms均在θ=45°时最大；θ≤30°时，椭圆柱体可发挥减阻效果。该研究结果可为相关工程设计提供参考。

关键词：振荡流椭圆柱体迎流角度轴长比

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人工鱼礁开孔因素对流场效应影响的数值模拟研究

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人工鱼礁开孔因素对流场效应影响的数值模拟研究

作者：聂兆一山东大学

学位级别：硕士

人工鱼礁作为一种人工构筑物,是构成海洋牧场的重要单元,研究人工鱼礁的结构设计与其对水域生态影响的作用机理会对海洋牧场的规划与构建提供指导。鱼礁开孔是设计鱼礁时的常见选择,目前,已有一定数量对于鱼礁开孔的研究表明开孔鱼礁的... 详细信息

人工鱼礁作为一种人工构筑物,是构成海洋牧场的重要单元,研究人工鱼礁的结构设计与其对水域生态影响的作用机理会对海洋牧场的规划与构建提供指导。鱼礁开孔是设计鱼礁时的常见选择,目前,已有一定数量对于鱼礁开孔的研究表明开孔鱼礁的流场效应具有显著影响。不过目前对于鱼礁开孔的研究仍较少,而且大多仅仅聚焦于鱼礁的开孔比研究,而对于鱼礁开孔其他影响因素的研究尚未开展,尤其是缺乏对于多种开孔因素之间相互作用机理的研究。本次研究中,首先使用正交实验设计方法来同时研究多种开孔因素的影响,对鱼礁的开孔比、开孔模式、开孔间距和开孔形状的组合开展了研究,鉴别出了性能最优的立方体型人工鱼礁开孔设计方案。其次,对不同来流方向下的开孔因素影响进行了研究,探讨在不同的迎流角度下各种开孔因素对流场效应的影响规律是否有所不同。主要结论如下:(1)在四种开孔因素中,开孔比与开孔形状会对人工鱼礁的上升流发生显著的影响,而开孔模式与开孔间距则没有显著影响。(2)在以相对指数为评价指标时,四种开孔因素间并不存在显著的交互作用;而以效率指数为评价指标时,四种开孔因素间存在交互作用,开孔方案需结合不同的开孔形状来确定。(3)当以相对指数为评价指标时(即相同鱼礁尺度下所产生的上升流体积),开孔形状正面为正六边形、侧面为圆形时会得到最好的效果,开孔比为0.1时效果最优,上下等大的A型开孔为最优的开孔模式,两孔之间的几何中心间距越为1.5 m时为最优的开孔间距。(4)当以效率指数为评价指标时(即单位体积鱼礁所产生的上升流体积),在六边形开孔于正面、圆形开孔于侧面的情况下,开孔比为0.3、开孔模式为上下等大的A型、开孔间距为1.6 m时是效果最好的组合。(5)当迎流角度为45°时,鱼礁所能产生的上升流效果最好,且迎流角度会显著影响开孔因素对上升流的作用,因此在不同的角度下,需考虑不同的开孔方案。(6)若考虑鱼礁在多个角度下的综合表现进行结构优化,可以产生如下设计方案:当以相对指数为评价指标时,开孔比为0.05、开孔形状为圆形或正六边形时的鱼礁,在多个迎流角度下具有较好的综合效果;以效率指数为评价指标时,开孔比为0.4、开孔形状为正六边形的鱼礁可以在多个角度下产生更好的效果。

关键词：人工鱼礁鱼礁开孔流场效应数值模拟迎流角度

不同结构人工鱼礁阻流效应与礁体局部冲刷试验研究

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不同结构人工鱼礁阻流效应与礁体局部冲刷试验研究

作者：张清雨上海海洋大学

学位级别：硕士

近年来,随着国家对海洋事业的重视,海洋牧场的建设规模逐渐扩大。人工鱼礁作为海洋牧场建设重要组成部分,其作用发挥直接关系到海洋牧场建设的效果。流场效应和稳定性是人工鱼礁作用发挥的主要评价标准。从现有研究来看,影响人工鱼礁流... 详细信息

近年来,随着国家对海洋事业的重视,海洋牧场的建设规模逐渐扩大。人工鱼礁作为海洋牧场建设重要组成部分,其作用发挥直接关系到海洋牧场建设的效果。流场效应和稳定性是人工鱼礁作用发挥的主要评价标准。从现有研究来看,影响人工鱼礁流场效应因素众多,主要包括礁体自身形状结构以及所处的水流环境、泥沙冲淤等。以往对于人工鱼礁流场效应评价中,多采用体积、通量等参数衡量上升流与背涡流强度,但对于不同结构以及不同迎流角度礁体在各个方向的实际受力分析结果较少,因此分别计算不同礁体的受力,进而计算阻力系数与礁体稳定性安全系数。应用CFD模型测算不同结构人工鱼礁单体及组合阻流系数,可以为海洋数值模式模拟大规模人工鱼礁区海域流场中阻滞力项的计算提供阻流系数。为探究人工鱼礁单体和组合阻流系数与礁体开口比、迎流角度以及排列方式之间的关系,以不同结构的方型人工鱼礁为研究对象,分别对其流场效应进行了数值模拟。通过表面积分法证实了利用功率损耗法测算礁体阻流系数的有效性。结果表明,在0°迎流时,单礁的阻力与阻流系数与开口比均呈负相关关系,拟合公式为F=-853.41K-2603.45,C=-0.255K-1.311(P角度,礁体阻流系数随着开口比增加近似线性增加,且Cd(30°)>Cd(45°)>Cd(15°);计算不同礁体在不同迎流角度下的阻流系数,发现实体礁的阻流系数随迎流角度变化很小,透水礁体和组合礁体的阻流系数均与迎流角度正相关,组合礁体内部单位礁体的受力主要与其直接迎流面积相关。对于不同布设间距的组合礁体,发现其阻流系数与布设间距成正比,间距达到1.3L左右时,礁体组合与单礁阻流系数相近;缩小间距虽然可以增强横向上礁体的相互作用,但也增加了对后方礁体回流和阻碍作用,导致整体阻流系数减小。在人工鱼礁投放时很难准确的把握其迎流角度,且实际海洋的旋转潮波也导致礁体的迎流角度也在不断发生变化,为了获取特定礁体的阻流系数,对所有角度范围内的迎流面积进行分段计算和平均,每15°范围内取一组平均迎流面积计算阻流系数,得到四礁组合阻流系数为1.112±0.042,大于实体单礁的1.045±0.027,八礁组合的0.965±0.048,以及透水单礁的0.914±0.035。以上的结论也表明礁体阻流系数与礁体开口比和迎流角度都具有一定相关性,因此,今后在大尺度海洋数值模型中,可以通过CFD模型计算分别率定不同迎流角度下、各向异型人工鱼礁尤其是人工鱼礁组合的迎流面投影面积和阻流系数,对于阻滞力的大小可以给出一个相对准确的结果。其次以八棱柱人工鱼礁为研究对象,通过数值模拟结果分别计算不同流速下每组礁体所受的阻力与升力,分析礁体受力与礁体结构和迎流角度之间的关系。结果发现两种单层侧板型人工鱼礁中,单下层测版型人工鱼礁的阻流效果优于单上层侧板型人工鱼礁;抗滑移性A型B型;两种双层侧板型人工鱼礁中,上层为垂直侧板型的阻流效果优于上层为倾斜侧板型人工鱼礁,但稳定性(抗滑移与抗倾覆)劣于上层为倾斜侧板型人工鱼礁;两种流速下计算得到的阻流系数差异小于0.05,最大值A型可到1.8025,最小值C型为1.5542;C型礁在45°迎流时阻流效果最佳,30°迎流时阻力系数最大;稳定性在0°迎流时最佳。D型礁在30°迎流时阻流效果最佳,0°迎流时阻力系数最大,稳定性在0°迎流时最佳。通过第3章得到的方型礁体受力情况,分别计算礁体的稳定性系数(抗滑移和抗倾覆安全系数),这是礁体本身结构以及迎流角度对礁体稳定性的影响,但实际海洋中,礁体稳定性不仅受礁体本身状态的影响,更多的是收到外界条件,比如潮流动力、泥沙冲刷等因素的影响。因此通过数值模拟与水槽冲刷试验相结合的方式,统计不同结构礁体在不同流速和不同底质粒径条件下的冲刷状态,分析礁体结构、流速、底质粒径对礁体局部冲刷的影响。结果发现,礁体数值模拟结果与水槽冲刷试验结果差异小于0.05,证明数值模拟方法可以用于礁体局部冲刷模拟。结果表明,随着来流速度增加,礁体局部冲刷最大深度增加,冲刷宽度也有一定增加,且礁体边缘的最大冲坑深度大于礁体中央,礁体中央平面在礁后存在泥沙淤积现象。

关键词：数值模拟阻流系数开口比迎流角度布设间距泥沙冲刷物理模型试验

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不同角度下方形钝体绕流的特性研究

水电能源科学 2018年第1期36卷 95-98页

作者：唐建洲唐如洋蔡建萍沈振中盐城市大套第二抽水站管理所江苏盐城224511 盐城市防汛抗旱指挥部办公室江苏盐城224001 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098

针对水流作用下三维钝体绕流的尾迹演化特性,采用大涡模拟法模型四种不同迎流角度,分析其受力情况、频率特性、分离形式和3D流动状态,揭示了钝体绕流现象的形成机理,提出了涡旋形态变化的一般规律。研究表明,随着迎流角度的增加,升力和... 详细信息

针对水流作用下三维钝体绕流的尾迹演化特性,采用大涡模拟法模型四种不同迎流角度,分析其受力情况、频率特性、分离形式和3D流动状态,揭示了钝体绕流现象的形成机理,提出了涡旋形态变化的一般规律。研究表明,随着迎流角度的增加,升力和阻力系数呈先降后升的趋势,当θ=12°时两者均达到最小值;分析了四种角度下流体在钝体周围的运动规律,结果表明其流动分离位置和回流区长度各不相同;雷诺数一定时不同角度下的绕流涡旋频率基本一致。该计算结果对类似工程设计有重要参考意义。

关键词：方形钝体大涡模拟迎流角度频率特性流动状态

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六边形开口方形人工鱼礁水动力性能模型实验

水产学报 2020年第11期44卷 1903-1912页

作者：张硕张世东初文华胡夫祥上海海洋大学海洋科学学院东京海洋大学上海海洋大学大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室上海海洋大学海洋牧场工程技术研究中心

为了研究六边形开口方形人工鱼礁阻力系数和侧向力系数与迎流角度、开口比之间的关系,利用水槽模型实验对4种开口比(γ=0.06、0.14、0.25、0.39)的六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度(θ=0°、15°、30°、45°)下的阻力和侧向力进行... 详细信息

为了研究六边形开口方形人工鱼礁阻力系数和侧向力系数与迎流角度、开口比之间的关系,利用水槽模型实验对4种开口比(γ=0.06、0.14、0.25、0.39)的六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度(θ=0°、15°、30°、45°)下的阻力和侧向力进行测定,并计算其阻力系数和侧向力系数。结果显示,六边形开口方形礁体模型阻力F(30°)>F(45°)>F(15°)>F(0°),侧向力F(30°)>F(15°)>F(45°)>F(0°);礁体模型阻力F(30°)是F(0°)的1.28～1.72倍,侧向力F(30°)是F (0°)的2.8～11.1倍。迎流角度对礁体模型的阻力以及侧向力可产生较大影响。4种开口比和4种迎流角度下,礁体模型阻力系数C变化范围为0.98～1.53。阻力系数C(30°)>C(15°)> C(45°)> C(0°),阻力系数C(30°)与C(0°)相比最大可达1.26倍;4种开口比和4种迎流角度下,礁体模型侧向力系数C变化范围为0.001～0.210。侧向力系数C(30°)>C(15°)> C(45°)> C(0°),侧向力系数C(30°)与C(0°)相比最大可达3.5倍。当θ=30°时,不能忽视侧向力对礁体模型的作用力。

关键词：人工鱼礁开口比迎流角度水槽模型实验

六边形开口方形人工鱼礁阻力系数数值模拟与模型试验比较研究

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中国水产科学 2020年第11期27卷 1350-1359页

作者：张硕张世东胡夫祥初文华黄成裕刘斐凡张秋驰上海海洋大学海洋科学学院东京海洋大学大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室上海海洋大学

为了对4种不同开口大小的六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度下数值模拟和水槽模型试验的阻力系数进行对比验证,分别利用水槽模型和数值模拟试验方法对4种不同开口比(γ=0.0625,0.14,0.25,0.39)六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度(... 详细信息

为了对4种不同开口大小的六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度下数值模拟和水槽模型试验的阻力系数进行对比验证,分别利用水槽模型和数值模拟试验方法对4种不同开口比(γ=0.0625,0.14,0.25,0.39)六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度(θ=0°, 15°, 30°, 45°)状态下的阻力进行测定,并计算两种方法的阻力系数。结果表明:(1)在数值模拟和水槽模型试验中,人工鱼礁模型阻力均随着开口比的增大而减小;礁体迎流角度的变化可改变礁体阻力,且在4种迎流角度下,人工鱼礁阻力在θ=30°时最大。(2)人工鱼礁数值模拟与水槽模型试验中,当θ为15°、30°和45°时,阻力系数均随着开口比的增加而增加,具有明显的线性关系,且阻力系数在迎流角度θ=30°时最大。(3)数值模拟与模型试验阻力的相对误差在0.12%～17.18%,平均误差7.43%;礁体阻力系数的相对误差在0.03%～14.64%,平均误差5.26%。阻力及阻力系数误差均在20%以下。水槽模型试验与数值模拟阻力和阻力系数相关系数R分别为0.99和0.80,P<0.001,具有极强的相关性。因此,利用数值模拟精细化研究人工鱼礁水动力性能是可行的。

关键词：人工鱼礁开口比迎流角度水槽试验数值模拟

六边形开口方形人工鱼礁水动力性能数值模拟与模型试验研究

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六边形开口方形人工鱼礁水动力性能数值模拟与模型试验研究

作者：张世东上海海洋大学

学位级别：硕士

人工鱼礁的结构和形状等几何参数对于人工鱼礁功能发挥尤其是人工鱼礁投放的安全性均会产生影响,而且人工鱼礁的结构和形状与鱼礁投放之后受到的水动力密切相关,因此人工鱼礁的水动力性能也成为了研究人员在评估人工鱼礁建设效果时需要... 详细信息

人工鱼礁的结构和形状等几何参数对于人工鱼礁功能发挥尤其是人工鱼礁投放的安全性均会产生影响,而且人工鱼礁的结构和形状与鱼礁投放之后受到的水动力密切相关,因此人工鱼礁的水动力性能也成为了研究人员在评估人工鱼礁建设效果时需要考虑的主要因素之一。通过人工鱼礁的水动力性能研究,建立起人工鱼礁礁体结构参数与主要作用力之间关系,从而优化人工鱼礁的设计,有效提高人工鱼礁的稳定性性能。近年来,人工鱼礁研究主要集中在礁体流场效应,而对于人工鱼礁受力分析及稳定性研究较少。在人工鱼礁受力分析及物理稳定性研究中,利用水槽模型试验以及数值模拟分析礁体在水流或波浪作用下受到的阻力至关重要,目前关于人工鱼礁在不同开口比和迎流角度下的水槽模型试验以及数值模拟研究较少,且六边形开口形状的方形人工鱼礁在开口比、迎流角度等不同参数下水动力性能尚缺乏研究。如今数值模拟在人工鱼礁应用领域越来越广泛,但是对人工鱼礁在不同开口比和迎流角度下阻力系数的数值模拟和模型试验的对比验证尚缺乏研究。因此,为了研究六边形开口方形人工鱼礁阻力系数和侧向力系数与迎流角度、开口比之间的关系,利用水槽模型试验对4种开口比(γ=0.0625、0.14、0.25、0.39)六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度(θ=0°、15°、30°、45°)下的阻力、侧向力进行测定,并计算其阻力系数和侧向力系数,得出礁体在不同开口比和迎流角度下礁体水动力的变化情况。并利用FLUENT数值模拟软件对相同礁体模型在4种开口比和4种迎流角度下的水动力性能进行数值模拟,验证数值模拟在不同迎流角度和开口比下对礁体模型水动力性能研究的适用性。研究结果表明:1.六边形开口方形礁体模型阻力F(30°)>F(45°)>F(15°)>F(0°)、F(0.0625)>F(0.14)>F(0.25)>F(0.39),侧向力F(30°)>F(15°)>F(45°)>F(0°)、F(0.0625)>F(0.14)>F(0.25)>F(39);礁体模型阻力F(30°)是F(0°)的1.28～1.72倍,侧向力F(30°)是F(0°)的2.8～11.1倍。迎流角度对礁体模型的阻力以及侧向力可产生较大影响。2.4种开口比和4种迎流角度下,礁体模型阻力系数C变化范围为0.98～1.53。阻力系数C(30°)>C(15°)>C(45°)>C(0°),阻力系数C(30°)与C(0°)比值最大可达1.26倍;阻力系数C(0.39)>C(0.25)>C(0.14)>C(0.0625)。3.4种开口比和4种迎流角度下,礁体模型侧向力系数C变化范围为0.001～0.21。侧向力系数C(30°)>C(15°)>C(45°)>C(0°),侧向力系数C(30°)与C(0°)相比最大可达3.5倍;侧向力系数C(0.0625)>C(0.14)>C(0.25)>C(0.39)。4.当θ=30°时,不能忽视侧向力对礁体模型的作用力。5.人工鱼礁数值模拟与水槽模型试验中,阻力系数均随着开口比的增加而增加,具有明显的线性关系,且阻力系数在迎流角度θ=30°时最大。6.数值模拟与模型试验阻力的平均误差7.43%;礁体阻力系数的平均误差5.26%。水槽模型试验与数值模拟阻力和阻力系数相关系数R分别为0.99和0.80,P迎流角度以及开口比下水动力性能是可行的。7.本文对六边形开口方形人工鱼礁的稳定性进行校核,礁体抗漂移安全系数最小为3.0,抗倾覆安全系数最小为6.1,均大于1.2,表明礁体在海域流速为0.2m/s～1.2m/s范围内,礁体不会发生滑移和倾覆,并且具有较高的安全系数。本文对六边形开口方形人工鱼礁多个参数下水动力性能进行了系统的研究,对今后礁体结构设计、投放角度等提供参考。

关键词：方形人工鱼礁开口比迎流角度水槽模型试验数值模拟