一种测算人工鱼礁流场调控规模的方法

摘要

本发明属于测算技术领域，涉及一种人工鱼礁流场调控规模的测算方法，为了解决现有测算人工鱼礁流场调控规模的方法不能满足测算需要的问题，本发明提供了一种测算方法，该方法通过计算机辅助设计对人工鱼礁进行三维立体造型，把鱼礁单体或多鱼礁组合体设置于一个数值水槽内，对数值水槽进行三维网格剖分，把网格数据导入常用CFD软件，湍流模型选用大涡模拟法，数值模拟鱼礁投放后的流场变化，分析输出的计算结果，可得到不同类型鱼礁、水深、礁体组合等条件下，缓流区、上升流区等流场特征尺度的差异，本发明方法用于测算不同类型礁体和礁体组合在不同水深和流速下的流场调控规模，并为鱼礁单体设计及多礁组合方案的优化配置提供科学数据。

权利要求

1.一种测算人工鱼礁流场调控规模的方法，包括：

a、在计算机辅助设计软件Sol idworks中建立人工鱼礁的三维模型，所述人工鱼礁的三维模型的构造和尺寸与实际礁体完全相同；

b、设置一个三维数值水槽模型，所述三维数值水槽模型设有水流进口面、水流出口面、第一侧面、第二侧面、顶部及底部，将a步骤建立的人工鱼礁三维模型设置于一个三维数值水槽的底部，调整三维数值水槽模型的长度和宽度，使数值水槽水流进口与所述人工鱼礁的礁体迎流面的间距在25m及以上，数值水槽水流出口与所述人工鱼礁的礁体背流面的间距在75m及以上；

c、对b步骤所述礁体及三维数值水槽进行属性设置：

所述三维数值水槽模型的水流进口面设为速度进口，水槽的长为x轴方向，宽为y轴方向，深为z轴方向，水的流向为x轴方向，流速大小为礁区的实测平均流速，三维数值水槽模型的水流出口面设为速度出口；

三维数值水槽模型的第一侧面及第二侧面选用对称边界，三维数值水槽模型的顶部选用对称界面或水气边界，三维数值水槽的底部选用固体边界，所述固体边界的糙率根据礁区底质粒径来设定；

人工鱼礁的三维模型的表面设为固体边界，所述固体边界的糙率根据礁体材料和表面粗糙度来设定；

d、剔除c步骤中三维数值水槽模型内的人工鱼礁的三维模型所在区域，得到三维数值水槽模型剩余部分，利用CFD软件的前处理软件对所述剩余部分进行网格划分，得到网格模型文件；

e、利用CFD软件导入d步骤的网格模型文件进行并行数值计算，湍流模型选用大涡模拟法，将400s-500s之间每间隔10s的数据储存，得到的三维合成流速V，x、y、z三个方向上的流速分量Vx、Vy、Vz，以及单个网格体积计算结果以ASCII码形式导出；

f、设计一个用于分析和统计e步骤计算结果的Fortran程序，统计x方向上速度绝对值小于0.8倍入流速度的区域体积作为缓流区体积；统计z方向上速度值大于0.1m/s的区域体积作为上升流区体积；从而得到缓流区体积和上升流区体积这两个测算鱼礁流场调控规模的主要指标。

2.根据权利要求1所述的一种测算人工鱼礁流场调控规模的方法，其特征在于d步骤选用四面体网格对所述的三维数值水槽模型进行网格划分，在d步骤所述人工鱼礁的三维模型周围区域加密网格，所述周围区域为以d步骤所述人工鱼礁的三维模型为中心，所述人工鱼礁的三维模型前3m至人工鱼礁的三维模型后30m之间，宽6m高6m的长方形区域，加密后的网格总数控制在100-300万个。

3.根据权利要求1或2所述的一种测算人工鱼礁流场调控规模的方法，其特征在于所述人工鱼礁为人工鱼礁单礁体或人工鱼礁多鱼礁组合体。

说明书

一种测算人工鱼礁流场调控规模的方法

技术领域

[0001] 本发明属于测算技术领域，涉及一种测算下沉式人工鱼礁单礁体和多礁体组合流场调控规模的方法。

背景技术

[0002] 人工鱼礁是人工投放在海中，用于改善海域生态环境、增殖渔业资源的构造物。进入新世纪我国沿海各地都在不同程度地建设自己的人工鱼礁项目。为使人工鱼礁发挥最大的流场调控效能，达到预期设计目的，对礁体进行流场调控规模测算尤为重要。人工鱼礁投放在海底后，受到海流的作用力，会在迎流面侧产生上升流，在背流面侧产生背涡流。上升流能将海洋底层的营养盐源源不断地输送到真光层中，从而提高海域的初级生产力，进而提高经济鱼类的增殖能力；背涡流能为一些鱼类提供流速相对较缓的栖息场所；鱼礁投放后，在礁体周围形成强弱流交替的三维流场，流速不同的空间能有效诱集不同的经济鱼类。因此，测算鱼礁投放后使多大空间海域的流态发生了变化(即流场调控规模)十分重要。

[0003] 海水的运动通常为紊流，且鱼礁投放海域受岸线、水深、波浪等因素影响，流速和流向多变，要通过流速仪测量人工鱼礁的流场调控规模难度很大；而水槽或风洞实验则存在模型比例和流体介质差异等问题。

发明内容

[0004] 本发明需要解决的技术问题是现有测算人工鱼礁流场调控规模的方法不能满足测算需要的问题，并提供一种测算人工鱼礁流场调控规模的方法。

[0005] 本发明通过以下方案解决上述技术问题：

[0006] 一种测算人工鱼礁流场调控规模的方法，包括：

[0007] a、在计算机辅助设计软件Solidworks中建立人工鱼礁的三维模型，所述人工鱼礁的三维模型的构造和尺寸与实际礁体完全相同；

[0008] b、设置一个三维数值水槽模型，所述三维数值水槽模型设有水流进口面、水流出口面、第一侧面、第二侧面、顶部及底部，将a步骤建立的人工鱼礁三维模型设置于一个三维数值水槽的底部，调整三维数值水槽模型的长度和宽度，使数值水槽水流进口与所述人工鱼礁的礁体迎流面的间距在25m及以上，数值水槽水流出口与所述人工鱼礁的礁体背流面的间距在75m及以上；

[0009] c、对b步骤所述礁体及三维数值水槽进行属性设置：

[0010] 所述三维数值水槽模型的水流进口面设为速度进口，水槽的长为x轴方向，宽为y轴方向，深为z轴方向，水的流向为x轴方向，流速大小为礁区的实测平均流速，三维数值水槽模型的水流出口面设为速度出口；

[0011] 三维数值水槽模型的第一侧面及第二侧面选用对称边界，三维数值水槽模型的顶部选用对称界面或水气边界，由于沉底式鱼礁的投放水域一般同时需保证通航需要，礁体顶部到海面具有一定安全水深距离，因此可忽略礁体对水位的影响，为实现本发明目的，礁体对水位的影响均可忽略，礁体对水位的影响不忽略时，三维数值水槽模型的顶部选择自由表面的水气边界；

[0012] 三维数值水槽的底部选用固体边界，根据礁区底质粒径设置这一固体边界的糙率，糙率大小对于礁体周围整体流态的影响不大，但大的糙率值可降低礁体附近的流速；

[0013] 人工鱼礁的三维模型的表面设为固体边界，根据礁体材料和表面粗糙度来设置这一固体边界的糙率；

[0014] d、剔除c步骤中三维数值水槽模型内的人工鱼礁的三维模型所在区域，得到三维数值水槽模型剩余部分，利用CFD软件的前处理软件对所述剩余部分进行网格划分，得到网格模型文件，所述CFD软件的前处理软件为本领域常见的处理软件，优选Gambit。但在处理复杂构造时，可在Gambit所生成网格基础上利用Tgrid软件生成更有利于计算的四面体网格。

[0015] e、利用CFD软件导入d步骤的网格模型文件进行并行数值计算，利用大涡模拟法设计网格模型文件的湍流模型，将400s-500s之间每间隔10s的数据储存，得到的三维合成流速V，x、y、z三个方向上的流速分量Vx、Vy、Vz，以及单个网格体积计算结果以ASCII码形式导出；

[0016] f、设计一个用于分析和统计e步骤计算结果的Fortran程序，统计x方向上速度绝对值小于0.8倍入流速度的区域体积作为缓流区体积；统计z方向上速度值大于0.1m/s的区域体积作为上升流区体积；把缓流区体积和上升流区体积作为两个主要指标来测算鱼礁的流场调控规模。

[0017] 本发明所述测算方法可以用于测算不同类型礁体和礁体组合在不同水深和流速下的流场调控规模，通过计算机辅助设计软件Solidworks对人工鱼礁进行三维立体造型，所述人工鱼礁可以是鱼礁单体或多鱼礁组合体，把鱼礁单体或多鱼礁组合体设置于数值水槽内。

[0018] 事先剔除c步骤中三维数值水槽模型内的人工鱼礁的三维模型所在区域，然后对三维数值水槽模型进行三维网格剖分，为体现鱼礁体的复杂变化，本发明采用四面体网格。然后把得到的网格数据导入CFD软件，所述CFD软件优选Fluent软件。

[0019] 湍流模型选用大涡模拟法，数值模拟鱼礁投放后的流场变化。所述大涡模拟法(Large eddy simulation，简称LES)的基本思想是：用瞬时的Navier-Stokes方法直接模拟湍流中的大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑，这样就能模拟出大于网格尺度的涡的运动，且能体现涡动的不对称性和随机性。因而运算到400s后紊流状态基本稳定，将400s-500s之间每间隔10s的数据储存。

[0020] 然后输出计算结果，并设计一个Fortran程序，用以分析不同鱼礁、水深、礁体组合等条件下，背涡流、上升流等流场特征的差异，本领域技术人员可从统计分析的目的性出发来设计Fortran程序，例如倘若鱼礁投放的目的是促进海域初级生产力，那么希望产生更大规模的上升流向上层水体输运营养盐，则上升流区规模大的鱼礁单体构造设计或鱼礁组合方案为胜出方案；倘若鱼礁投放目的是产生更多缓流区以扩大适合底栖生物的栖息地范围，则缓流区规模大的方案胜出；或者两个目的都有，则要综合考虑两个指标。经过Fortran程序的分析，就可以为鱼礁单体设计及多礁组合方案流场调控规模的优化提供科学数据。

[0021] 综上所述，应用计算机辅助设计技术和计算流体仿真技术来测算人工鱼礁的流场调控规模可以有效的克服现有测算方法存在的各种问题，例如流速仪测量人工鱼礁的流场调控规模难度较大，水槽或风洞实验则存在的模型比例和流体介质差异等问题。并且能保证测算的精度优于目前常用的按比例缩小的物理模型测算方法，使用本发明方法能准确模拟流态，流速分布的精度一般在80％以上。

附图说明

[0022] 图1是实施例1回字形人工鱼礁单礁体的三维模型结构示意图；

[0023] 图2是实施例1所述数值水槽的结构示意图(槽内为人工鱼礁)；

[0024] 图3是实施例2所述数值水槽的俯视图和中轴侧视图(槽内为人工群礁)。

具体实施方式

[0025] 以下结合所附实例来对本发明作进一步详细描述。

[0026] 实施例1

[0027] 单礁流场三维数值模拟

[0028] 1.以3m×3m×3m见方的回字形礁为例，在计算机辅助设计软件Solidworks中建立人工鱼礁单体的三维模型；

[0029] 2.设置一个120m×20m×25m长方体三维数值水槽模型(即所述数值水槽沿水流入流方向长120m，宽20m，深25m)，所述三维数值水槽模型设有水流进口面、水流出口面、第一侧面、第二侧面、顶部及底部，将上述单礁体模型设置于所述长方体三维数值水槽模型中，单礁体模型迎流面距离水流进口面30m；单礁体模型背流面距离水流出口面87m；

[0030] 3.对长方体三维数值水槽模型各个面进行属性设置：

[0031] 水流进口面(In)：速度进口(velocity-inlet)，流向为x轴方向，流速大小设为恒定值(即为礁区的实测潮周期平均流速)；

[0032] 水流出口面(Out)：速度出口(velocity-inlet)，大小与进口面流速相等，取负值；

[0033] 单礁体模型表面(Reef)：固体边界(wall)，并根据礁体和表面粗糙度设置固体边界的糙率；

[0034] 第一侧面和第二侧面(Side1、Side2)：选用对称边界(symmetry)。在数值水槽宽度足够大的前提下(侧边界处流场已不受礁体影响)，可认为在对称平面上，既无质量的交换，也无热量等物理量的交换。因此，在对称边界上，垂直于边界的速度分量为零，任何量的梯度也为零；

[0035] 顶部(Top)：沉底式鱼礁的投放水域一般同时需保证通航需要，礁体顶部到海面具有一定安全水深距离，因此可忽略礁体对水位的影响，因此选用对称边界(symmetry)；

[0036] 底部：选用固体边界(wall)，可根据底质粒径设置固体边界的糙率，由于粗糙程度对单礁体周围整体流态的影响有限，因此对于固体边界的糙率设置的误差不会对最终测算结果造成影响；

[0037] 4.剔除3步骤中三维数值水槽模型内的人工鱼礁单礁体三维模型所在区域，得到三维数值水槽模型剩余部分，利用Gambit将剩余部分进行网格划分，选用四面体网格，并在单礁体周围区域加密网格(加密区域为礁前3m至礁后30m之间，以单礁体为中心，宽6m高6m的长方体区域)，网格总数控制在100万个左右，并得到网络模型文件；

[0038] 5.利用Fluent软件导入4步骤的网络模型文件进行并行数值计算。湍流模式选用大涡模拟法(Large eddy simulation，简称LES)，将400s-500s之间每间隔10s的数据储存。得到的三维合成流速V，x、y、z三个方向上的流速分量Vx、vy、Vz，以及单个网格体积(cell volumn)等计算结果以ASCII码形式导出。

[0039] 6.设计一个Fortran程序，对计算结果进行数值分析和统计。统计x方向上速度绝对值小于0.8倍来流速度的区域体积作为缓流区体积(Volumex)；统计z方向上速度值大于0.1m/s的区域体积作为上升流区体积(Volumez)；把缓流区体积和上升流区体积作为两个主要测算指标来评价鱼礁单体的流场调控规模。

[0040] 实施例2

[0041] 多鱼礁组合流场三维数值模拟

[0042] ①.将9个3m×3m×3m见方的回字形礁组合排列，每个礁体之间间距3m，在计算机辅助设计软件Solidworks中建立人工鱼礁多鱼礁组合体群礁模型；

[0043] ②.设置一个120m×35m×25m长方体三维数值水槽模型(即所述数值水槽沿水流入流方向长120m，宽35m，深25m)，所述三维数值水槽模型设有水流进口面、水流出口面、第一侧面、第二侧面、顶部及底部，将上述多鱼礁组合体模型设置于所述长方体三维数值水槽模型中，多鱼礁组合体群礁体模型迎流面距离水流进口面30m；多鱼礁组合体模型背流面距离水流出口面75m；

[0044] ③.对长方体三维数值水槽模型各个面进行属性设置：

[0045] 水流进口面(In)：速度进口(velocity-inlet)，流向为x轴方向，流速大小设为恒定值(即为礁区的实测潮周期平均流速)；

[0046] 水流出口面(Out)：速度出口(velocity-inlet)，大小与进口面流速相等，取负值；

[0047] 多鱼礁组合体模型表面(Reef)：固体边界(wall)，并根据多鱼礁组合体材料和表面粗糙度设置固体边界的糙率；

[0048] 第一侧面和第二侧面(Side1、Side2)：选用对称边界(symmetry)。在数值水槽宽度足够大的前提下(侧边界处流场已不受礁体影响)，可认为在对称平面上，既无质量的交换，也无热量等物理量的交换。因此，在对称边界上，垂直于边界的速度分量为零，任何量的梯度也为零；

[0049] 顶部(Top)：沉底式鱼礁的投放水域一般同时需保证通航需要，多鱼礁组合体顶部到海面具有一定安全水深距离，因此可忽略礁体对水位的影响，因此选用对称边界(symmetry)；

[0050] 底部：选用固体边界(wall)，可根据底质粒径设置固体边界的糙率，由于粗糙程度对多鱼礁组合体周围整体流态的影响有限，因此对于固体边界的糙率设置的误差不会对最终测算结果造成影响；

[0051] ④.剔除③步骤中三维数值水槽模型内的人工鱼礁多鱼礁组合体三维模型所在区域，得到三维数值水槽模型剩余部分，利用Gambit将剩余部分进行网格划分，选用四面体网格，并在多鱼礁组合体周围区域加密网格(加密区域为多鱼礁组合体前5m至多鱼礁组合体后30m之间，以多鱼礁组合体中点所在x轴为中心，宽35m高6m的长方体区域)，网格总数控制在200万个左右，并得到网络模型文件；

[0052] ⑤.利用Fluent软件导入④步骤的网络模型文件进行并行数值计算。湍流模式选用大涡模拟法，将400s-500s之间每间隔10s的数据储存。得到的三维合成流速V，x、y、z三个方向上的流速分量Vx、Vy、Vz，以及单个网格体积(cellvolumn)等计算结果以ASCII码形式导出；

[0053] ⑥.设计一个Fortran程序，对计算结果进行数值分析和统计。统计x方向上速度绝对值小于0.8倍来流速度的区域体积作为缓流区体积(Volumex)；统计z方向上速度值大于0.1m/s的区域体积作为上升流区体积(Volumez)；把缓流区体积和上升流区体积作为两个主要测算指标来评价鱼礁单体的流场调控规模。