第23卷第4期大连水产学院学报Vol.23No.4 2008年8月JOURNAL OF DALIAN FISHERIES UNIVERSITY Aug.2008
文章编号:1000-9957(2008)04-0278-05不同高度混凝土模型礁背涡流特性的定量研究 张 硕1㊁2, 孙满昌1, 陈勇3
flag标签抗体(1.上海海洋大学海洋科学学院，上海200090;2.上海海洋大学大洋生物资源开发和利用上海高校重点实验室，上海200090;
3.大连水产学院辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁大连116023)
摘要：在实验室条件下，于水槽中对6种混凝土人工鱼礁模型的背涡流特性进行了研究(来流速度为 13.5㊁23.5㊁33.5cm/s)，并对背涡流规模进行了定量分析㊂结果表明:3种来流速度下,6种混凝土模型
礁背涡流长度㊁高度㊁面积均随礁高的增加而增加，而其背涡流相对值均随礁高的增加呈下降趋势;6种
混凝土模型礁其背涡流长度为礁高的2.02~3.73倍；背涡流高度为礁高的1.06~1.70倍；背涡流面积为
礁迎流面面积的2.45~4.80倍㊂
关键词：人工鱼礁；流场效应；背涡流；定量分析；水槽试验
中图分类号:S953.1 文献标志码:A
人工鱼礁对海洋生态环境的改善主要是从鱼礁投放后对局部水域流场环境的改善开始的㊂投放人工鱼礁后，由于礁体的阻流作用，使周围水体的压力场出现变化，流态发生改变，流场重新分布并形成新的流场，礁迎流面附近产生上升涡流区，礁后形成滞流区或缓流区[1-3]㊂通常在礁体和主轴流(优势流)的相互作用下，在礁体下游形成一个充满漩涡的背涡流区㊂有研究表明[4-6]：当礁体厚度或宽度与鱼礁周围流速的乘积超过100cm2/s时，旋涡将从礁体上脱落出现卡门涡街(Karman vor⁃tex)现象，某些鱼类将被吸引到礁后的背涡流区中；当礁体高度为水深的10%时，紊流范围即可达到水深的80%~100%，这将为很多鱼类提供庇护场所㊁索饵场㊁繁殖场㊁栖息地或暂栖地，从而使人工鱼礁具有诱集鱼类的作用㊂背涡流区因其相对静止的环境而为某些鱼类提供庇护，在此处往往可观察到明显的泥沙等和营养盐的沉积[7]㊂另外，背涡流区外的高紊流区还能吸引其它的趋流性鱼类来栖息㊂因此，弄清海域的优势流以后，就能设计一定的礁体类型以产生预期尺度的背涡流区㊂关于人工鱼礁流场特性的研究已有一些报道[2-5,7-9]，但总体来看，人工鱼礁流场的基础研究，尤其是定量研究方面还较薄弱㊂为此，本研究中选择6种不同高度的混凝土模型礁，通过水槽模型试验方法定量研究其背涡流特性，以期为评价实际海域人工鱼礁的环境功能和流场效应提供参考㊂1 材料与方法
1.1 试验材料与装置
在长255cm㊁高110cm㊁宽32cm的垂直循环回流水槽中进行人工鱼礁在定常来流下流场的特性试验，水槽试验段规格为100cm×25cm×25cm
(图1-A)㊂为了便于测量，在水槽四周用白胶带做成标尺(单位cm)，建立如图1-B所示的空间坐标系，同时在水槽侧面和底部分别做成1cm×1cm的网格标记㊂使用KENEK VR-201H便携式流速仪测量流速㊂
试验模型礁均为混凝土实心礁体,6种礁形分别为立方体㊁长方体Ⅰ㊁长方体Ⅱ㊁长方体Ⅲ㊁长方体Ⅳ㊁长方体Ⅴ，几何尺寸(cm×cm×cm)分别为4×4×4㊁4×4×2㊁4×4×5㊁4×4×6㊁4×4×7㊁4×4×8㊂
1.2 方法
将模型礁置于水槽内沿X轴方向30cm㊁沿Y
收稿日期:2007-05-12
基金项目：国家 863”重点资助项目(2006AA100303)；上海市教委优秀青年专项基金资助项目(B-8201-06-170179)；上海水产大学博士启动基金项目(B-8202-06-0328)；上海市教委高校第五期海洋环境工程重点学科(J50702)资助；辽宁省科技厅工程中心项目(2006402041)；大连市科技攻关项目(2005B12NC077)
作者简介：张硕(1976-)，男，博士，讲师㊂E-mail:s-zhang@shfu.edu
通信作者：陈勇(1956-)，男，博士，教授㊂E-mail:chenyong@dlfu.edu
轴方向10.5cm 的位置(图1-A)，在模型礁的3个中垂面(图1-B)：对礁沿X 轴方向的中垂面YOZ 面(中垂面在垂直来流方向并沿X 轴方向坐标为30+l /2，其中l 为礁长)㊁沿Y 轴方向的中垂面XOZ 面(中垂面在平行于来流方向，并沿Y 轴方向坐标为12.5cm)和沿Z 轴方向的中垂面XOY 面(中垂面在z 轴方向坐标为h /2，其中h 为礁
扩阴器高)用流速仪测量预先设置的1cm×1cm 网格中心点的水平方向流速，然后应用Gri (Version
2.12.7)软件对测量所得流速值进行差分计算和筛选㊂试验时根据模型礁对来流冲击承受的能力，将来流速度设定为3个流速梯度:1
3.5㊁23.5㊁
33.5cm /
s㊂
图1 水槽试验装置示意图
Fig.1 Sketch map of an experimental tank
1.3 符号说明
(1)h ㊁w ㊁l 分别为模型礁高㊁礁宽㊁礁长;s 为模型礁迎流面投影面积㊂
(2)H bv 为背涡流高度,H bv /h 为背涡流相对
高度;L bv 为背涡流长度,L bv /h 为背涡流相对长
度;S bv 为背涡流面积,S bv /s 为背涡流相对面积㊂
2 结果
2.1 背涡流流态比较
从图2可见：在3种来流速度(13.5㊁23.5㊁
33.5cm /s)下,4种混凝土模型礁(立方体㊁长方体Ⅲ㊁长方体Ⅳ㊁长方体Ⅴ)后均出现了背涡流区(图2中蓝区域)；对于同一种礁体，随着来流速度的增加，礁后面背涡流域均呈收敛趋势，涡流速度的等值线越发密集，流态呈复杂趋势；在相同流速下,4种混凝土模型礁的高度越高，其相应的背涡流域面积也越大㊂当来流速度为23.5cm /s 和33.5cm /s 时，礁高为7cm 和8cm 的两种
模型礁后面均出现了比较明显的旋涡区域㊂2.2 背涡流域定量分析
从图3可见:6种混凝土模型礁在3种流速下，其背涡流长度的变化为6.40~16.70cm，相对长度的变化为2.02~3.73；当来流速度为13.5cm /s 时,6种模型礁中长方体Ⅱ礁背涡流长度为17.70cm，大于其他5种礁；当流速为23.5和
33.5cm /s 时,6种模型礁背涡流长度均随礁高的增加而增加；在3种来流速度下,6种模型礁背涡流相对长度均随礁高的增加呈下降趋势㊂
长方体Ⅰ礁在来流速度为13.5cm /s 和23.5
cm /s 时，其背涡流长度和相对长度比较接近，分别为6.80cm㊁6.40cm 和3.40㊁3.20；立方体礁背涡流长度和相对长度随来流速度的增加而增加；长方体Ⅱ礁在来流速度为13.5cm /s 时，其背涡流长度最高(17.70cm )，在23.5cm /s 时最小(14.90cm)，背涡流相对长度变化为3.00~3.50，其变化趋势与背涡流长度一致；长方体Ⅲ礁背涡流长度及相对长度变化趋势与立方体礁相似；长方体Ⅳ㊁Ⅴ礁背涡流长度和相对长度变化趋势与长方体
Ⅱ礁相似，但其变化幅度较小㊂
从图4可见：在3种来流速度下,6种混凝土模型礁其背涡流高度随礁高的增加总体上均呈上升趋势，而其相对高度却呈下降趋势㊂
长方体Ⅰ礁在来流速度为13.5cm /s 时，其背涡流高度和相对高度均高于流速为23.5cm /s 时的值；立方体礁背涡流高度和相对高度随来流速度的增加而略有减小；长方体Ⅱ礁背涡流高度和相对高度与立方体礁变化相似；长方体Ⅲ礁背涡流高度和相对高度随来流速度增加而增加；长方体Ⅳ礁背涡流高度和相对高度在来流速度为23.5cm /s 时最低(7.50cm㊁1.06)，在13.5cm /s 时最高(7.80cm㊁1.11)；长方体Ⅴ礁背涡流高度和相对高度在来流速度为23.5cm /s 时最低(8.70cm㊁1.08),
在33.5cm /s 时最高(9.60cm㊁1.20)㊂
9
72第4期 张硕，等：不同高度混凝土模型礁背涡流特性的定量研究
082大连水产学院学报 第23卷
注:1)图中左侧纵坐标轴示柱状图内容，右侧纵坐标轴示折线图内容;2)由于长方体Ⅰ礁不能承受33.5cm /s 的来流速度，故只在13.5cm /s 和23.5cm /s 两种流速下进行试验测定，以下同㊂
图3 不同流速下背涡流长度及相对长度的比较Fig.3 The L bv and L bv /h comparisons of wake vortex field
behind reefs at different
velocities
图4 不同流速下背涡流高度及相对高度的比较 Fig.4 The H bv and H bv /h comparisons of wake vortex
field behind reefs at different velocities
从图5可见：在来流速度为13.5cm /s 时,6箱式高温煅烧炉
现浇梁
种混凝土模型礁其背涡流面积及相对面积随礁高增加均存在一定波动，其中长方体Ⅱ礁背涡流相对面积为4.8，高于其他5种礁；当来流速度为23.5cm /s 和33.5cm /s 时，模型礁背涡流面积随礁高的增加而增加，而背涡流相对面积随礁高的增加变化较小㊂
长方体Ⅰ礁在来流速度为13.5cm /s 时，背涡流面积和相对面积均高于流速为23.5cm /s 时的值；立方体礁背涡流面积和相对面积随来流速度的增加而增加；长方体Ⅱ礁在来流速度为13.5cm /s 时，背涡流面积和相对面积最高(96.04cm 2
和4.80)，在来流速度为23.5cm /s 时最低(73.17
cm 2
和3.66)；长方体Ⅲ礁㊁长方体Ⅳ礁㊁长方体
Ⅴ礁背涡流面积和相对面积的变化趋势与立方体礁相似，均随来流速度的增加而增加，其中长方体Ⅳ礁相应值的增幅较小
㊂
图5 不同流速下背涡流域面积及相对面积的比较Fig.5 The S bv and S bv /s comparisons of wake vortex be⁃
hind reefs at different velocities
3 讨论
拉配由于鱼礁的阻流作用而在礁后形成的背涡流，其特点是流速缓和，流态复杂多变㊂背涡流一般在涡心处速度最小，多数鱼类喜栖息于流速缓慢的涡流区，特别是在躲避强潮流时，涡流还可造成浮游生物㊁甲壳类和鱼类的物理性聚集[8]㊂因而背涡流可作为衡量人工鱼礁流场效应的主要指标之一㊂通常在实际海域中定量评价人工鱼礁流场效应比较
困难，而通过试验的方法开展定量研究比较切实可行，同时可以为人工鱼礁建设中不同规模礁体配置组合及其流场效应的发挥提供参考㊂本研究结果表明:6种混凝土模型礁背涡流长度㊁高度㊁面积随礁高的增加而增加，而其背涡流相对值随礁高的增加均呈下降趋势㊂潘灵芝等[8]通过数值计算的方法对实心方形礁单体流场效应的研究结果也表明，背涡流的面积㊁水平尺度均随礁高的增大而增大，但其水平尺度相对值随礁高的变化不明显㊂
本试验结果表明,6种礁其背涡流长度为礁高的2.02~3.73倍㊂刘同渝等[3]针对梯形㊁半球形㊁三角锥体㊁堆叠式鱼礁模型做了水槽和烟风洞试验㊂结果显示，鱼礁背部为涡流区，影响范围可达礁体长度的2~3倍，越靠近鱼礁部分涡流就越大㊂这些研究结果基本与本试验结果相符合㊂而虞聪达等[9]对人工船礁数值试验的研究表明，在不同来流速度下，背涡流长度与礁高之比为4.5~13.0；潘灵芝等[8]的研究结果也表明，背涡流水平尺度
1
82第4期 张硕，等：不同高度混凝土模型礁背涡流特性的定量研究
与礁高之比为8.7~9.6㊂可见数值计算的结果高于水槽试验结果㊂究其原因：一方面可能与试验选择尺度存在一定关系，数值试验选择鱼礁实际尺度作为研究对象，而水槽试验选择礁体为实际礁体尺度的1/100~1/50；另一方面数值计算是在二维尺度下对鱼礁进行研究，而水槽模型试验是在三维尺度下对鱼礁进行研究㊂其具体的差别还有待今后进一步探究㊂
6种鱼礁模型背涡流高度为2.8~9.6cm，约为礁高的1.06~1.70倍；背涡流面积为19.6~ 134.85cm2，约为礁迎流面面积的2.45~4.80倍㊂而对4种铁质模型礁(另文报道)的研究结果表明，背涡流高度为礁高的1.2~1.5倍，基本与本研究结果吻合㊂但4种铁质礁背涡流面积为礁迎流面面积的1.8~11.2倍，大于本试验研究结果㊂究其原因，本研究报道的礁体为实心模型礁，而另文报道的模型礁为中空结构的铁
质模型礁，由于铁质模型礁具有良好的透水性，因而其礁后涡流影响区域要大于实心礁㊂由此可见，鱼礁的背涡流规模大小与鱼礁结构密切相关㊂
对6种模型礁在来流速度≤1m/s(无礁状态下)时进行了水阻力试验，同时对阻力系数与雷诺数的关系进行分析，结果表明，当10000<Re< 70000(本试验测定)时,6种水泥礁流体流动处于自动模型区(另文报道)㊂当模型和实物处于同一自模区时，模型和实物的Re数不必保持相等，这时只要模型和实物的几何图形相似就会自动实现阻力相似[10]㊂当流体流动进入自模区后，绕流体的阻力系数C d不再变化㊂因此，在试验中可测出阻力系数C d随雷诺数Re的变化曲线，并以不再变化时的雷诺数Re值作为流动进入 自动模型区”的标志㊂一般的模型试验都可在 自动模型区”中进行并达到相似，这种相似称为条件相似；当模型和实物处于同一自模区时，模型和实物的雷诺数Re不必保持相等，模型试验的结果(或者做适当修正)就可以用到实物中去㊂
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Quantificational features of wake vortices of concrete
artificial model reefs with different height
ZHANG Shuo1,2, SUN Man⁃chang1, CHEN Yong3
(1.College of Marine Sciences,Shanghai Ocean Univ.,Shanghai200090,China;2.The Key Laboratory of Shanghai Education Commission for O⁃
ceanic Fisheries Resources Exploitation,Shanghai Ocean Univ.,Shanghai200090,China;3.Liaoning Ocean Farm Engineering Research Cen⁃ter,Dalian Fisheries University,Dalian116023,China)
Abstract:The wake vortex characteristics including quantitative analysis of range of wake vortices field of six dif⁃ferent height concrete model reefs were studied in a circular flume at the velocity of13.5,23.5,and33.5cm/s. The results showed that the length,height and square of the wake vortex field of the six concrete model reefs in⁃creased with increase in height of the reefs,but the relative values of the wake vortices decreased with increase in the height and square of the reefs at the velocity of13.5,23.5,and33.5cm/s.The wake vortex field of the six concrete model reefs had length and height ranging from2.02times to3.73times and from1.06times to1.70 times of the reef height,respectively.The square of six concrete model reefs’wake vortex field varied from2.45 times to4.80times of the square of the reefs facing the income current.
Key words:artificial reef;flow field effect;wake vortex;quantitative study;water tank modeling
282大连水产学院学报 第23卷
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