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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

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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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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