人工魚礁在波浪作用下的流場效應及其局部沖刷數(shù)值模擬.pdf

1、 天津大學碩士學位論文 人工魚礁 人工魚礁在波浪作用下的流場效應及其局 波浪作用下的流場效應及其局部沖刷數(shù)值模擬 部沖刷數(shù)值模擬 Numerical Simulation on Wave-affected Flow Field and Local Scour of Artificial Reefs 一級學科：流體力學 學科專業(yè)：流體力學 作者姓名：李欣雨 指導教師：劉長根 副教授 天津大學機械工程學院 二零一六年五月 I 中文摘要 中文

2、摘要 人工魚礁能起到修復海洋生態(tài)環(huán)境， 養(yǎng)護海洋漁業(yè)資源的作用， 在近岸海域得到廣泛投放。一般情況下，魚礁投放在較深海域，研究其流場效應時僅考慮潮流作用。 但某些以生態(tài)修復為目的的人工魚礁也被投放在較淺海域， 距離海岸較近，水深較淺，波浪對人工魚礁的流場效應會造成較大影響，如天津大神堂海域人工魚礁建設區(qū)就位于水深較淺的渤海灣北部， 連續(xù)三年對大神堂人工魚礁區(qū)的現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)， 放置在海底的人工魚礁礁體的泥沙沉積有逐年上升的趨勢， 對人工魚

3、礁的功能造成了損害。 因此對研究波浪作用下人工魚礁的流場效應及其局部沖刷對魚礁的設計和運行安全具有重要的意義。 本文基于 Fluent 軟件建立了數(shù)值波浪水池， 經(jīng)驗證后， 對波浪作用下人工魚礁附近的流場進行了數(shù)值模擬， 提出利用魚礁前后渦尺度作為衡量流場效應的方法，分析了不同波高、波周期以及不同魚礁間距條件下人工魚礁的流場效應。結果表明， 波浪對人工魚礁的流場效應具有明顯的影響， 當周期不變， 波高從 0.5m增大到 0.9m，魚礁周

4、圍的渦旋尺度增大了 103%，渦的尺度 L 與魚礁邊長 l 的比值 L/l 由 2.30 增長到 4.66；而波高不變，周期從 3s 增大到 5s 時，魚礁周圍的渦旋尺度增大了 130%，L/l 由 2.30 增長到 5.32。當間距與波長的比在一定范圍之內，兩個魚礁的渦的尺度均會增大，超過一定范圍后，渦的尺度減小到與單一魚礁相同條件下渦的尺度接近。 基于 Flow-3D 軟件， 建立了可以用來模擬魚礁局部沖刷的數(shù)值水池， 利用人工魚礁

5、周圍流場和圓柱體周圍局部沖刷的實驗結果來驗證其在流場和局部沖刷方面的準確性。 并對大神堂海域的兩種不同開孔的人工魚礁局部沖刷進行了數(shù)值模擬， 比較了魚礁的不同開孔大小和來流速度對魚礁局部沖刷的影響。 結果表明，大窗箱型魚礁由于開孔較大， 魚礁前方形成的下降水流較弱， 無法有效地掀起泥沙，因此沖刷深度較淺。而大小窗箱型魚礁開孔較小，前方的下降水流較強，底部的渦旋較大，因此沖刷深度也較深。當來流速度介于 0.3m/s~0.6m/s 之間時，