基于數(shù)值模擬探究人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著全球海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海洋漁業(yè)資源的可持續(xù)利用和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)日益受到關(guān)注。人工魚礁作為一種改善海洋生態(tài)環(huán)境、增殖漁業(yè)資源的重要手段，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。人工魚礁是人為放置在海底的構(gòu)造物，能夠?yàn)楹Ｑ笊锾峁?、繁殖、索餌和避敵的場(chǎng)所，促進(jìn)海洋生物的聚集和生長(zhǎng)，進(jìn)而恢復(fù)和增加漁業(yè)資源量。在眾多影響人工魚礁生態(tài)功能發(fā)揮的因素中，流場(chǎng)效應(yīng)起著關(guān)鍵作用。流場(chǎng)的變化會(huì)直接影響海水的流動(dòng)特性，如流速、流向、渦旋等，這些流動(dòng)特性又會(huì)進(jìn)一步影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送、擴(kuò)散以及海洋生物的分布和行為。合理的流場(chǎng)能夠?qū)⒌讓迂S富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶到上層水體，促進(jìn)浮游生物的生長(zhǎng)繁殖，為魚類提供充足的餌料；同時(shí)，不同的流場(chǎng)形態(tài)還能為不同習(xí)性的魚類提供適宜的棲息環(huán)境，吸引它們?cè)诖司奂?。而人工魚礁的開孔因素作為影響流場(chǎng)效應(yīng)的重要參數(shù)之一，其大小、形狀和分布等特征對(duì)魚礁周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有著顯著影響。不同的開孔設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致水流在通過(guò)魚礁時(shí)產(chǎn)生不同的流動(dòng)模式，進(jìn)而影響上升流、背渦流等流場(chǎng)特征的形成和發(fā)展。目前，關(guān)于人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的研究還相對(duì)不足，仍存在許多亟待解決的問(wèn)題。深入研究這一課題，對(duì)于揭示人工魚礁的流場(chǎng)形成機(jī)制，優(yōu)化人工魚礁的設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1.2研究目的本研究旨在通過(guò)數(shù)值模擬的方法，深入探究人工魚礁開孔因素（包括開孔大小、形狀和分布）對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響規(guī)律。具體而言，通過(guò)建立準(zhǔn)確的數(shù)值模型，模擬不同開孔條件下人工魚礁周圍的流場(chǎng)特性，分析流場(chǎng)參數(shù)（如流速、壓強(qiáng)、湍動(dòng)能等）的變化情況，從而明確開孔因素與流場(chǎng)效應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，為人工魚礁的設(shè)計(jì)和投放提供科學(xué)依據(jù)，以提高人工魚礁的生態(tài)效果和漁業(yè)資源增殖效率。1.1.3研究意義從理論方面來(lái)看，本研究有助于豐富和完善人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的理論體系。通過(guò)深入分析開孔因素對(duì)流場(chǎng)的影響機(jī)制，可以進(jìn)一步揭示人工魚礁與海洋水流相互作用的物理過(guò)程，為后續(xù)相關(guān)研究提供重要的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)，推動(dòng)人工魚礁領(lǐng)域的學(xué)術(shù)發(fā)展。在實(shí)踐應(yīng)用方面，研究成果對(duì)于指導(dǎo)人工魚礁的設(shè)計(jì)和投放具有重要價(jià)值。通過(guò)優(yōu)化開孔設(shè)計(jì)，可以提高人工魚礁周圍流場(chǎng)的合理性，增強(qiáng)其對(duì)海洋生物的吸引力和聚集效果，從而更有效地實(shí)現(xiàn)漁業(yè)資源的增殖和保護(hù)。合理的人工魚礁設(shè)計(jì)還能改善海洋生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定，對(duì)于維護(hù)海洋生物多樣性和可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。本研究的成果還可以為海洋牧場(chǎng)建設(shè)、漁業(yè)資源管理等提供科學(xué)支持，推動(dòng)海洋漁業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1人工魚礁研究進(jìn)展人工魚礁的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，其發(fā)展歷程見證了人類對(duì)海洋資源利用和保護(hù)理念的不斷演變。美國(guó)早在1935年便開啟了人工魚礁投放的先河，隨后，1972年美國(guó)政府通過(guò)92-402號(hào)法案，為人工魚礁建設(shè)提供了財(cái)政支持，掀起了沿海各州的建設(shè)高潮。截至1983年，美國(guó)已成功建造1200個(gè)魚礁群，每個(gè)礁群體積龐大，分布在水深60m以內(nèi)的東西沿海、南部墨西哥灣以及太平洋的夏威夷島等海域，這些礁區(qū)的漁業(yè)生產(chǎn)力大幅提升，達(dá)到自然海區(qū)的11倍。美國(guó)每年約有5400萬(wàn)人前往魚礁區(qū)參與游釣活動(dòng)，游釣船數(shù)量高達(dá)1100萬(wàn)艘，釣捕魚類140萬(wàn)t，其產(chǎn)值占據(jù)全美漁業(yè)總產(chǎn)值的35%，并創(chuàng)造了50萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位，游釣漁業(yè)的年收入達(dá)180億美元。日本在人工魚礁領(lǐng)域同樣投入巨大且研究深入，甚至有人認(rèn)為日本是世界上最早建造魚礁的國(guó)家，早在1800年就開始設(shè)置魚礁用于捕魚。1945年后，日本的人工魚礁建設(shè)經(jīng)歷了普通型魚礁、大型魚礁和人工礁漁場(chǎng)等多個(gè)階段。日本水產(chǎn)廳屬下的多個(gè)水產(chǎn)研究所專門針對(duì)人工魚礁與魚類的關(guān)系以及效益等方面開展研究，水產(chǎn)工學(xué)研究所則聚焦于人工魚礁的機(jī)理、結(jié)構(gòu)、材料和工程學(xué)原理。為了實(shí)現(xiàn)更合理的建設(shè)，日本不斷探索創(chuàng)新，推出了貝殼礁、高層魚礁等新型魚礁。貝殼礁的建設(shè)有效利用了大量廢棄貝殼，高層礁則具有穩(wěn)固性強(qiáng)、位置不易移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，其高度可達(dá)40m甚至70m，體積可達(dá)3558立方米，重量可達(dá)121t。日本是目前世界上人工魚礁建造規(guī)模最大的國(guó)家，該國(guó)將魚礁建設(shè)視為發(fā)展沿海漁業(yè)的重要舉措，由國(guó)家、府縣和漁業(yè)行業(yè)組織聯(lián)合實(shí)施。大型魚礁經(jīng)費(fèi)國(guó)家承擔(dān)60%、府縣政府承擔(dān)40%；中小型魚礁經(jīng)費(fèi)國(guó)家承擔(dān)50%、地方政府承擔(dān)30%、漁業(yè)行業(yè)承擔(dān)20%。在20世紀(jì)50年代，日本投資340億日元，沉放1萬(wàn)艘小型漁船，建成5000多座人工魚礁群，體積達(dá)336萬(wàn)立方米。1976-1981年，又投資705億日元，設(shè)置人工魚礁3086座，體積達(dá)6255萬(wàn)立方米。日本的漁業(yè)產(chǎn)量也因人工魚礁的建設(shè)從1979年的189萬(wàn)t增加到1984年的338萬(wàn)t。韓國(guó)政府也高度重視人工魚礁的投入，自1973年起累計(jì)投入40億元人民幣，建立人工魚礁區(qū)達(dá)14萬(wàn)hm2。亞洲其他國(guó)家如馬來(lái)西亞、泰國(guó)、菲律賓等也在積極開展人工魚礁的建設(shè)工作，盡管投入資金相對(duì)較少，但也在不斷探索適合本國(guó)海域的人工魚礁建設(shè)模式。在中國(guó)，人工魚礁的發(fā)展尚處于起步階段，但近年來(lái)隨著對(duì)海洋生態(tài)保護(hù)和漁業(yè)資源增殖的重視程度不斷提高，人工魚礁建設(shè)也取得了顯著進(jìn)展。廣西累計(jì)投入資金2.26億元，建設(shè)了4個(gè)國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)，建造及投放人工魚礁6000多個(gè)，有效促進(jìn)了海洋生態(tài)的良好循環(huán)發(fā)展。人工魚礁投放到海里后，不僅能長(zhǎng)滿大型藻類，起到凈化海水水質(zhì)的作用，其表面還能形成優(yōu)質(zhì)的餌料場(chǎng)，為魚類提供避敵、棲息和繁育的理想場(chǎng)所。中國(guó)海域遼闊，各地根據(jù)自身海域特點(diǎn)和漁業(yè)發(fā)展需求，在人工魚礁的設(shè)計(jì)、材料選擇和投放布局等方面進(jìn)行了大量實(shí)踐和研究，旨在提高人工魚礁的生態(tài)效益和漁業(yè)資源增殖效果。1.2.2數(shù)值模擬在人工魚礁研究中的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在人工魚礁流場(chǎng)研究中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬能夠通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)人工魚礁周圍的復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行精確模擬和分析，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法在時(shí)間、空間和成本上的限制，為人工魚礁的研究提供了有力的技術(shù)支持。在人工魚礁流場(chǎng)研究中，數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確地獲取流場(chǎng)中的各種參數(shù)，如流速、流向、壓強(qiáng)、湍動(dòng)能等，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析，深入了解人工魚礁對(duì)水流的影響機(jī)制。通過(guò)模擬不同形狀、大小和布置方式的人工魚礁周圍的流場(chǎng)，可以揭示流場(chǎng)的變化規(guī)律，為人工魚礁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬具有諸多優(yōu)勢(shì)。數(shù)值模擬不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和條件的限制，可以模擬各種復(fù)雜的海洋環(huán)境條件，如不同的海流速度、方向、波浪等，為研究人工魚礁在不同工況下的流場(chǎng)效應(yīng)提供了便利。數(shù)值模擬能夠快速地進(jìn)行大量的參數(shù)化研究，通過(guò)改變模型的參數(shù)，如人工魚礁的形狀、開孔大小、間距等，可以迅速得到相應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)果，大大提高了研究效率。數(shù)值模擬還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，如流場(chǎng)中的渦旋結(jié)構(gòu)、能量耗散等，有助于更全面地理解人工魚礁的流場(chǎng)特性。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬技術(shù)在人工魚礁流場(chǎng)研究方面取得了豐富的成果。一些研究通過(guò)建立三維數(shù)值模型，模擬了不同形狀人工魚礁周圍的流場(chǎng)分布，分析了流場(chǎng)對(duì)海洋生物棲息和繁殖的影響；另一些研究則結(jié)合實(shí)際海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)人工魚礁群的流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了模擬，探討了魚礁群的優(yōu)化布局方案。這些研究成果為人工魚礁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。1.2.3人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的研究現(xiàn)狀人工魚礁的開孔因素作為影響流場(chǎng)效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，近年來(lái)受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。開孔因素主要包括開孔大小、形狀和分布等，這些因素的變化會(huì)導(dǎo)致水流在通過(guò)人工魚礁時(shí)產(chǎn)生不同的流動(dòng)模式，進(jìn)而對(duì)魚礁周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)參數(shù)產(chǎn)生顯著影響。在開孔大小方面，研究表明，開口比（魚礁迎流面在垂直于水流方向孔洞的投影面積與迎流面全投影面積的比值）是影響魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的重要參數(shù)。黃遠(yuǎn)東等人采用CFD技術(shù)模擬得到開口立方體人工魚礁繞流的三維水流場(chǎng)，研究發(fā)現(xiàn)上升流最大速度與來(lái)流速度的比、上升流平均速度與來(lái)流速度的比以及上升流最大高度與礁體高度的比均隨開口比的增大而降低；背渦區(qū)的尺度也隨開口比的增大而顯著降低，當(dāng)開口比為0.1和0.2時(shí)，在礁體背流面后端形成尺度較大而速度很小的尾渦區(qū)，而當(dāng)開口比為0.5和0.6時(shí)背流面后端已無(wú)明顯旋渦區(qū)。這表明開口比越小，水流受魚礁阻隔程度越大，礁前上升流流速越大，背渦流紊流區(qū)域越明顯，背渦流區(qū)域就越長(zhǎng)。關(guān)于開孔形狀，不同的形狀會(huì)導(dǎo)致水流在通過(guò)開孔時(shí)產(chǎn)生不同的流速分布和壓力變化，從而影響流場(chǎng)效應(yīng)。圓形開孔可能使水流較為平穩(wěn)地通過(guò)，而方形或多邊形開孔則可能導(dǎo)致水流在孔角處產(chǎn)生較強(qiáng)的紊流。目前對(duì)于開孔形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響研究相對(duì)較少，且不同研究結(jié)果之間存在一定差異，需要進(jìn)一步深入研究。開孔分布對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響也不容忽視。均勻分布的開孔和非均勻分布的開孔會(huì)使水流在魚礁內(nèi)部和周圍形成不同的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。一些研究嘗試通過(guò)改變開孔的分布方式來(lái)優(yōu)化人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)，但目前尚未形成統(tǒng)一的結(jié)論和優(yōu)化方法。盡管目前在人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響方面已經(jīng)取得了一定的研究成果，但仍存在許多不足之處。現(xiàn)有研究大多集中在單一開孔因素對(duì)流場(chǎng)的影響，對(duì)于多個(gè)開孔因素之間的交互作用研究較少；研究對(duì)象主要以簡(jiǎn)單形狀的人工魚礁為主，對(duì)于復(fù)雜形狀和實(shí)際應(yīng)用中的人工魚礁研究相對(duì)不足；在研究方法上，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)合還不夠緊密，需要進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究主要聚焦于人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響，通過(guò)數(shù)值模擬手段深入探究其中的內(nèi)在規(guī)律。具體研究?jī)?nèi)容包括：開孔形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響：選取常見的圓形、方形、三角形等開孔形狀，利用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建不同開孔形狀的人工魚礁模型。在設(shè)定的海洋水流條件下，模擬水流通過(guò)不同開孔形狀人工魚礁時(shí)的流場(chǎng)變化情況，分析流速、壓強(qiáng)、湍動(dòng)能等流場(chǎng)參數(shù)在魚礁周圍的分布特征。通過(guò)對(duì)比不同開孔形狀下的流場(chǎng)模擬結(jié)果，總結(jié)開孔形狀與流場(chǎng)效應(yīng)之間的關(guān)系，明確何種開孔形狀能夠產(chǎn)生更有利于海洋生物棲息和繁殖的流場(chǎng)環(huán)境。開孔大小對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響：確定一系列不同大小的開孔尺寸，如開孔直徑、邊長(zhǎng)等參數(shù)。針對(duì)每個(gè)開孔大小，建立相應(yīng)的人工魚礁數(shù)值模型，并進(jìn)行流場(chǎng)模擬。重點(diǎn)研究開孔大小對(duì)魚礁周圍上升流、背渦流等流場(chǎng)特征的影響，分析上升流的強(qiáng)度、高度以及背渦流的范圍、流速等參數(shù)隨開孔大小的變化規(guī)律。通過(guò)這些研究，為人工魚礁開孔大小的合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化流場(chǎng)效應(yīng)的目的。開孔數(shù)量對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響：設(shè)計(jì)不同開孔數(shù)量的人工魚礁模型，模擬在相同來(lái)流條件下，開孔數(shù)量的變化對(duì)流場(chǎng)的影響。分析隨著開孔數(shù)量的增加或減少，魚礁周圍流場(chǎng)的整體分布情況以及局部流場(chǎng)特征的改變，如流場(chǎng)的均勻性、流速的變化梯度等。探討開孔數(shù)量與流場(chǎng)效應(yīng)之間的定量關(guān)系，為在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同的海洋環(huán)境和漁業(yè)需求確定合適的開孔數(shù)量提供參考。多因素耦合作用對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響：考慮開孔形狀、大小和數(shù)量等多個(gè)因素的相互作用，構(gòu)建多因素耦合的人工魚礁數(shù)值模型。通過(guò)模擬不同因素組合下的流場(chǎng)情況，分析各因素之間的交互作用對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的綜合影響。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法或響應(yīng)面分析等手段，建立流場(chǎng)效應(yīng)與多個(gè)開孔因素之間的數(shù)學(xué)模型，揭示多因素耦合作用下的流場(chǎng)變化規(guī)律，為人工魚礁的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供更全面、準(zhǔn)確的理論支持。1.3.2研究方法本研究主要采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入分析人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響。具體研究方法如下：數(shù)值模擬軟件的選擇與應(yīng)用：選用專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，這些軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力和豐富的物理模型庫(kù)，能夠準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜的流體流動(dòng)現(xiàn)象。利用軟件提供的前處理功能，建立人工魚礁的三維幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。在模擬過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際海洋環(huán)境條件和研究需求，選擇合適的湍流模型、邊界條件和求解器參數(shù)，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)學(xué)模型的建立：基于流體力學(xué)的基本原理，建立描述人工魚礁周圍流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。采用連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程（Navier-Stokes方程）和能量守恒方程等控制方程來(lái)描述流體的流動(dòng)行為。對(duì)于湍流流動(dòng)，選用合適的湍流模型，如標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、RNGκ-ε模型或k-ωSST模型等，來(lái)模擬湍流對(duì)流體流動(dòng)的影響。在模型中，考慮海水的密度、黏度等物理性質(zhì)，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè)，以提高計(jì)算效率。邊界條件的設(shè)定：根據(jù)實(shí)際海洋環(huán)境，合理設(shè)定數(shù)值模擬的邊界條件。入口邊界設(shè)定為速度入口，給定來(lái)流速度的大小和方向；出口邊界設(shè)定為壓力出口，假設(shè)出口處的壓力為大氣壓；人工魚礁壁面設(shè)定為無(wú)滑移邊界條件，即壁面處流體的速度為零；海底邊界設(shè)定為靜止邊界條件。對(duì)于自由表面，根據(jù)研究的具體情況，可采用VOF（VolumeofFluid）模型或其他合適的方法來(lái)處理自由表面的流動(dòng)。模擬結(jié)果的分析與驗(yàn)證：對(duì)數(shù)值模擬得到的流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，提取流速、壓強(qiáng)、湍動(dòng)能等流場(chǎng)參數(shù)，并通過(guò)云圖、矢量圖、流線圖等可視化方式展示流場(chǎng)的分布特征。運(yùn)用數(shù)據(jù)分析方法，如統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析等，研究開孔因素與流場(chǎng)參數(shù)之間的關(guān)系。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，收集相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，將模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。若模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)存在偏差，分析偏差產(chǎn)生的原因，并對(duì)模型和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，直至模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。1.4研究創(chuàng)新點(diǎn)本研究在人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的研究中，具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：多因素耦合研究：突破以往大多集中在單一開孔因素對(duì)流場(chǎng)影響的研究局限，全面考慮開孔形狀、大小和數(shù)量等多個(gè)因素的相互作用，深入探究多因素耦合作用下人工魚礁周圍流場(chǎng)的變化規(guī)律。通過(guò)構(gòu)建多因素耦合的數(shù)值模型，系統(tǒng)分析各因素之間的交互影響，為人工魚礁的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供更全面、準(zhǔn)確的理論支持，填補(bǔ)了該領(lǐng)域在多因素綜合研究方面的不足。精細(xì)化數(shù)值模擬：利用先進(jìn)的CFD軟件，建立高精度的人工魚礁三維數(shù)值模型，對(duì)魚礁周圍的復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)化模擬。在模擬過(guò)程中，充分考慮海水的真實(shí)物理性質(zhì)和海洋環(huán)境的實(shí)際工況，采用合適的湍流模型和邊界條件，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的深入分析，能夠獲取流場(chǎng)中細(xì)微的變化特征和參數(shù)分布，為研究開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。研究方法創(chuàng)新：將數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析方法相結(jié)合，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和響應(yīng)面分析等手段，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行深入挖掘和分析。通過(guò)建立流場(chǎng)效應(yīng)與多個(gè)開孔因素之間的數(shù)學(xué)模型，定量揭示各因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響程度和相互關(guān)系，使研究結(jié)果更具科學(xué)性和說(shuō)服力。這種多學(xué)科交叉的研究方法，為人工魚礁流場(chǎng)研究提供了新的思路和方法，有助于推動(dòng)該領(lǐng)域研究方法的創(chuàng)新和發(fā)展。二、人工魚礁與流場(chǎng)效應(yīng)的理論基礎(chǔ)2.1人工魚礁概述2.1.1定義與分類人工魚礁是人為在海中設(shè)置的構(gòu)造物，其目的是改善海域生態(tài)環(huán)境，營(yíng)造海洋生物棲息的良好環(huán)境，為魚類等提供繁殖、生長(zhǎng)、索餌和庇敵的場(chǎng)所，達(dá)到保護(hù)、增殖和提高漁獲量的目的。從歷史發(fā)展來(lái)看，早在中國(guó)明朝嘉靖年間，廣西北海市一帶漁民就利用設(shè)置在海中的竹籬誘集魚群捕魚，這些竹籬可視為早期的“人工魚礁”。到了19世紀(jì)，美國(guó)漁民因洪水時(shí)大樹沖入海灣誘集魚類，從而開始用木料搭成小柵裝入石塊沉于海底，人工魚礁建設(shè)由此得到發(fā)展。人工魚礁根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)有多種分類方式。按建礁功能，可分為養(yǎng)殖型魚礁、誘集型魚礁、增殖型魚礁、游釣型魚礁和保護(hù)型魚礁。養(yǎng)殖型魚礁以養(yǎng)殖為目的，根據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象生活習(xí)性設(shè)計(jì)和設(shè)置；誘集型魚礁旨在提高漁獲量；增殖型魚礁以增殖生物資源、改善魚類種群結(jié)構(gòu)為主要目的，一般投放于淺海水域，放養(yǎng)海參、鮑、扇貝、龍蝦等品種；游釣型魚礁為旅游者提供垂釣等休閑娛樂(lè)活動(dòng)；保護(hù)型魚礁用于改善海域生態(tài)環(huán)境，保護(hù)海洋生物多樣性，保護(hù)瀕危珍稀物種，同時(shí)防止大型漁具作業(yè)，使魚礁區(qū)成為禁漁區(qū)和魚類避難所。按造礁材料，可分為水泥礁、船車礁、輪胎礁、石料礁、塑料礁和鋼材礁等。水泥礁可制成各種形狀；船、車礁利用廢舊船舶和車輛，成本低且能廢物利用；輪胎礁將廢舊輪胎捆扎成所需形狀投放，但捆扎方法和用材要牢固經(jīng)久耐腐蝕；石料礁以天然石塊為礁體，如海參魚礁；塑料礁多應(yīng)用于浮式魚礁，因其要求礁體又輕又耐用；鋼材礁為鋼質(zhì)材料制成的框架式魚礁，一般為大型，多投放在外海，水深40-100m左右，日本使用較多，用以誘集金槍魚、鰹魚等。按礁體所處水層，可分為底層魚礁、中層和表層魚礁；按礁體結(jié)構(gòu)，可分為方形魚礁、十字形魚礁、三角形魚礁、圓臺(tái)型魚礁、半圓形魚礁、框架型魚礁、梯形魚礁、船型魚礁、綜合型魚礁等。不同類型的人工魚礁在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著各自獨(dú)特的作用，其設(shè)計(jì)和使用需根據(jù)具體的海洋環(huán)境和漁業(yè)需求進(jìn)行選擇。2.1.2功能與作用人工魚礁在海洋生態(tài)和漁業(yè)發(fā)展中具有多方面重要功能與作用。在改善海洋生態(tài)環(huán)境方面，它能有效保護(hù)海洋生物多樣性，保護(hù)和保全瀕危珍稀物種及其生境。例如，魚礁投放后，海藻、貽貝、牡蠣、海鞘、海綿、珊瑚蟲等均可附著，這些生物利用水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，防止水體赤潮的發(fā)生，同時(shí)為魚類提供豐富的天然餌料，形成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且多樣化的生態(tài)系統(tǒng)。從耕海牧漁角度看，人工魚礁能形成周圍的上升流，將底層豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶到上層水體，改善礁區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的含量，增加海域初級(jí)生產(chǎn)力，促進(jìn)浮游生物的生長(zhǎng)繁殖，為魚類提供充足的食物來(lái)源。對(duì)于漁業(yè)資源，人工魚礁可以修復(fù)礁區(qū)及其鄰近海域受破壞的漁業(yè)資源，誘魚、增殖和優(yōu)化海洋漁業(yè)資源，促進(jìn)漁業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展。魚礁的孔隙為魚類幼體提供了天然的洞穴，提高了幼體的成活率，為魚類的繁殖和生長(zhǎng)提供了安全的場(chǎng)所。人工魚礁還在漁業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面發(fā)揮作用，發(fā)展人工魚礁漁業(yè)和游釣漁業(yè)，促進(jìn)漁業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、優(yōu)化和升級(jí)，以海釣漁業(yè)、休閑漁業(yè)帶動(dòng)旅游等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和就業(yè)機(jī)會(huì)。2.1.3應(yīng)用現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)外人工魚礁的建設(shè)都取得了顯著進(jìn)展。美國(guó)早在1935年就開始投放人工魚礁，1972年通過(guò)相關(guān)法案提供財(cái)政支持，掀起建設(shè)高潮。截至1983年，已建造1200個(gè)魚礁群，分布在多個(gè)海域，魚礁區(qū)漁業(yè)生產(chǎn)力大幅提升，游釣漁業(yè)也十分發(fā)達(dá)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和眾多就業(yè)崗位。日本在人工魚礁領(lǐng)域投入巨大且研究深入，是世界上人工魚礁建造規(guī)模最大的國(guó)家，經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，推出了貝殼礁、高層魚礁等新型魚礁。其漁業(yè)產(chǎn)量因人工魚礁建設(shè)從1979年的189萬(wàn)t增加到1984年的338萬(wàn)t。韓國(guó)自1973年起累計(jì)投入大量資金，建立了廣闊的人工魚礁區(qū)。亞洲其他國(guó)家如馬來(lái)西亞、泰國(guó)、菲律賓等也積極開展人工魚礁建設(shè)工作。在中國(guó)，人工魚礁建設(shè)尚處于起步階段，但近年來(lái)發(fā)展迅速。廣西累計(jì)投入資金2.26億元，建設(shè)了4個(gè)國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)，建造及投放人工魚礁6000多個(gè)，有效促進(jìn)了海洋生態(tài)的良好循環(huán)發(fā)展。各地根據(jù)自身海域特點(diǎn)和漁業(yè)發(fā)展需求，在人工魚礁的設(shè)計(jì)、材料選擇和投放布局等方面進(jìn)行了大量實(shí)踐和研究，不斷探索適合本國(guó)海域的人工魚礁建設(shè)模式，以提高人工魚礁的生態(tài)效益和漁業(yè)資源增殖效果。2.2流場(chǎng)效應(yīng)相關(guān)理論2.2.1流場(chǎng)基本概念流場(chǎng)，從定義上來(lái)說(shuō)，是指流體運(yùn)動(dòng)所占據(jù)的空間。在這個(gè)空間中，流速、壓強(qiáng)等物理量隨著時(shí)間和空間位置的變化而變化，這些物理量定義在時(shí)間和空間點(diǎn)坐標(biāo)場(chǎng)上，共同構(gòu)成了流速場(chǎng)、壓強(qiáng)場(chǎng)等，它們都是流場(chǎng)的重要組成部分。例如在海洋環(huán)境中，海水的流動(dòng)就形成了流場(chǎng)，海水在不同位置的流速、受到的壓強(qiáng)等都有所不同，這些物理量的分布和變化情況決定了流場(chǎng)的特性。流場(chǎng)具有多個(gè)特征參數(shù)，這些參數(shù)能夠描述流場(chǎng)的不同性質(zhì)。流速是其中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它表示流體在單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離，其大小和方向直接反映了流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在河流中，河水的流速可能會(huì)因?yàn)楹拥赖膶捳⒌貏?shì)的高低等因素而發(fā)生變化，流速的變化又會(huì)影響水中生物的生存環(huán)境以及物質(zhì)的輸送和擴(kuò)散。壓強(qiáng)也是流場(chǎng)的重要參數(shù)，它反映了流體對(duì)周圍物體表面的壓力作用。在深海區(qū)域，海水的壓強(qiáng)隨著深度的增加而增大，這種壓強(qiáng)的變化對(duì)深海生物的生理結(jié)構(gòu)和生存方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。密度、溫度等物理量同樣在流場(chǎng)中扮演著重要角色，它們與流速、壓強(qiáng)等參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，共同決定了流場(chǎng)的整體特性。例如，溫度的變化可能會(huì)導(dǎo)致海水密度的改變，進(jìn)而影響海水的流動(dòng)模式和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，流場(chǎng)可以進(jìn)行多種分類。按照流體物理量是否隨時(shí)間變化，可分為定常流和非定常流。若流場(chǎng)中的流速、壓強(qiáng)等物理量不隨時(shí)間改變，則為定常流；反之，若這些物理量隨時(shí)間發(fā)生變化，就是非定常流。在一些穩(wěn)定的海洋環(huán)流區(qū)域，海水的流動(dòng)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，流速和壓強(qiáng)等物理量在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)變化較小，可近似看作定常流；而在臺(tái)風(fēng)等極端天氣條件下，海洋中的流場(chǎng)會(huì)發(fā)生劇烈變化，流速和壓強(qiáng)等物理量隨時(shí)間快速改變，屬于非定常流。按照流體物理量是否隨空間位置變化，可分為均勻流和非均勻流。當(dāng)流體在流場(chǎng)中的物理量不隨空間位置變化時(shí)，稱為均勻流；反之，若物理量隨空間位置變化，則為非均勻流。在一段較為平直且水流穩(wěn)定的河道中，水流的流速、壓強(qiáng)等物理量在橫截面上分布較為均勻，可視為均勻流；而在河道的彎曲處或有障礙物的地方，水流的物理量會(huì)隨空間位置發(fā)生明顯變化，形成非均勻流。此外，根據(jù)流體速度與音速的關(guān)系，還可分為亞音速流、跨音速流、超音速流和高超音速流；根據(jù)流體流動(dòng)的形態(tài)，可分為層流和湍流；根據(jù)流體是否考慮粘性效應(yīng)，可分為粘性流和無(wú)粘性流。不同類型的流場(chǎng)在實(shí)際應(yīng)用中具有不同的特點(diǎn)和影響，對(duì)于人工魚礁周圍流場(chǎng)效應(yīng)的研究，需要準(zhǔn)確判斷流場(chǎng)的類型，以便更好地分析和理解流場(chǎng)的變化規(guī)律。2.2.2流場(chǎng)效應(yīng)的形成機(jī)制當(dāng)水流遇到人工魚礁時(shí)，其流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生顯著改變，進(jìn)而形成一系列獨(dú)特的流場(chǎng)效應(yīng)。人工魚礁的存在阻擋了水流的正常流動(dòng)，使得水流在魚礁周圍產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)模式，其中上升流和背渦流是兩種較為典型的流場(chǎng)效應(yīng)。上升流的形成原理主要基于水流的連續(xù)性和伯努利原理。當(dāng)水流接近人工魚礁時(shí)，由于魚礁的阻擋，水流的流通截面積減小，根據(jù)連續(xù)性方程，流速會(huì)相應(yīng)增大。而在魚礁的迎流面，水流受到魚礁的擠壓，部分水流會(huì)被迫向上流動(dòng)，形成上升流。從伯努利原理來(lái)看，流速的增大導(dǎo)致壓強(qiáng)降低，在魚礁迎流面底部，壓強(qiáng)相對(duì)較小，而上方的壓強(qiáng)相對(duì)較大，這種壓強(qiáng)差促使水流向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步加強(qiáng)了上升流的形成。上升流的產(chǎn)生具有重要意義，它能夠?qū)⒌讓痈缓瑺I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的海水帶到上層水體。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，底層海水通常含有豐富的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽，這些營(yíng)養(yǎng)鹽是浮游生物生長(zhǎng)繁殖所必需的物質(zhì)。上升流將這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶到上層，為浮游生物提供了充足的養(yǎng)分，促進(jìn)了浮游生物的大量繁殖，而浮游生物又是魚類的重要餌料，從而為魚類創(chuàng)造了豐富的食物資源，吸引魚類在人工魚礁周圍聚集。背渦流則是在魚礁的背流面形成的。當(dāng)水流繞過(guò)人工魚礁后，在背流面一側(cè)，由于水流的慣性和邊界層分離現(xiàn)象，水流無(wú)法立即恢復(fù)到原來(lái)的流動(dòng)狀態(tài)，從而在魚礁后方形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的旋渦區(qū)域，即背渦流。邊界層分離是指在流體繞過(guò)物體表面時(shí)，由于物體表面的摩擦力和壓強(qiáng)梯度的作用，流體的邊界層在某個(gè)位置脫離物體表面，形成一個(gè)分離區(qū)，這個(gè)分離區(qū)就是背渦流形成的主要區(qū)域。背渦流的存在使得水流在魚礁后方的流動(dòng)變得復(fù)雜，流速和流向都發(fā)生了變化。背渦流內(nèi)部的水流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致水體中的物質(zhì)混合和交換加劇，這對(duì)于海洋生物的棲息和生存也具有重要影響。一些喜好在水流相對(duì)穩(wěn)定且有一定物質(zhì)交換的環(huán)境中生活的魚類，會(huì)被背渦流區(qū)域所吸引，這里為它們提供了適宜的棲息場(chǎng)所。同時(shí)，背渦流還能夠?qū)⒅車囊恍└∮紊锖陀袡C(jī)物質(zhì)聚集在魚礁附近，進(jìn)一步增加了魚礁周圍的食物資源。除了上升流和背渦流，人工魚礁周圍還可能形成其他流場(chǎng)效應(yīng)，如滯緩流等。滯緩流是指在魚礁周圍的某些區(qū)域，水流速度明顯減緩的現(xiàn)象。這是因?yàn)轸~礁的存在阻礙了水流的順暢流動(dòng)，使得部分水流在魚礁周圍的間隙或特定區(qū)域內(nèi)流速降低。滯緩流區(qū)域?yàn)橐恍?duì)水流速度要求較低的海洋生物提供了生存空間，它們可以在這里更好地棲息和繁殖。不同的流場(chǎng)效應(yīng)相互作用，共同構(gòu)成了人工魚礁周圍復(fù)雜的流場(chǎng)環(huán)境，這種環(huán)境對(duì)海洋生物的分布、行為和生態(tài)系統(tǒng)的平衡都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。2.2.3流場(chǎng)效應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)為了準(zhǔn)確評(píng)估人工魚礁周圍流場(chǎng)效應(yīng)的強(qiáng)弱和優(yōu)劣，需要采用一系列科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。這些指標(biāo)能夠定量地描述流場(chǎng)的特征，為人工魚礁的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。上升流流速是一個(gè)關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它直接反映了上升流的強(qiáng)度。上升流流速越大，意味著單位時(shí)間內(nèi)被帶到上層水體的底層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越多，能夠?yàn)楦∮紊锖汪~類提供更豐富的食物資源。通過(guò)測(cè)量上升流流速，可以了解人工魚礁對(duì)底層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送的能力，進(jìn)而評(píng)估其對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的促進(jìn)作用。一般來(lái)說(shuō)，在人工魚礁設(shè)計(jì)合理的情況下，上升流流速應(yīng)保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，既能保證足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送，又不會(huì)對(duì)海洋生物的生存環(huán)境造成過(guò)大的沖擊。背渦流水平跨度也是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它描述了背渦流在水平方向上的影響范圍。背渦流水平跨度越大，說(shuō)明背渦流對(duì)魚礁后方區(qū)域的影響越廣泛，能夠?yàn)楦嗟暮Ｑ笊锾峁┻m宜的棲息環(huán)境。同時(shí)，較大的背渦流水平跨度也意味著水體中的物質(zhì)混合和交換更加充分，有利于海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。然而，如果背渦流水平跨度過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致水流過(guò)于紊亂，對(duì)一些海洋生物的生存產(chǎn)生不利影響。因此，在人工魚礁的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)實(shí)際需求和海洋環(huán)境條件，合理控制背渦流水平跨度。除了上升流流速和背渦流水平跨度，還有其他一些評(píng)價(jià)指標(biāo)。流場(chǎng)均勻性用于衡量流場(chǎng)中流速和壓強(qiáng)等物理量在空間分布的均勻程度。一個(gè)均勻性較好的流場(chǎng)，能夠?yàn)楹Ｑ笊锾峁┫鄬?duì)穩(wěn)定的生存環(huán)境，避免因流速和壓強(qiáng)的劇烈變化對(duì)生物造成傷害。流場(chǎng)的紊動(dòng)強(qiáng)度也是一個(gè)重要指標(biāo)，它反映了流場(chǎng)中流體的紊亂程度。適當(dāng)?shù)奈蓜?dòng)強(qiáng)度有利于水體中的物質(zhì)混合和交換，但過(guò)高的紊動(dòng)強(qiáng)度可能會(huì)對(duì)海洋生物的行為和生存產(chǎn)生負(fù)面影響。通過(guò)綜合考慮這些評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以全面、準(zhǔn)確地評(píng)估人工魚礁周圍的流場(chǎng)效應(yīng)，為人工魚礁的優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理投放提供科學(xué)指導(dǎo)。在實(shí)際研究中，通常會(huì)采用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)量等方法來(lái)獲取這些評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和比較，不斷優(yōu)化人工魚礁的開孔因素和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的流場(chǎng)效應(yīng)和生態(tài)效果。2.3數(shù)值模擬原理與方法2.3.1計(jì)算流體力學(xué)（CFD）簡(jiǎn)介計(jì)算流體力學(xué)（CFD，ComputationalFluidDynamics）是一門結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算方法和流體力學(xué)基本原理的交叉學(xué)科。其核心原理是通過(guò)對(duì)描述流體流動(dòng)的控制方程進(jìn)行離散化處理，將連續(xù)的流體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程組，然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解，從而獲得流場(chǎng)中各物理量的分布情況。在CFD中，常用的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程（Navier-Stokes方程）和能量守恒方程等。連續(xù)性方程基于質(zhì)量守恒定律，它表明在一個(gè)封閉的流體系統(tǒng)中，質(zhì)量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)無(wú)故消失，即單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量差等于控制體內(nèi)質(zhì)量的變化率。對(duì)于不可壓縮流體，其密度保持不變，連續(xù)性方程可簡(jiǎn)化為速度散度為零，數(shù)學(xué)表達(dá)式為\nabla\cdot\vec{u}=0，其中\(zhòng)vec{u}表示速度矢量，\nabla為哈密頓算子。動(dòng)量守恒方程，也就是Navier-Stokes方程，是牛頓第二定律在流體力學(xué)中的具體體現(xiàn)，它描述了流體動(dòng)量的變化與作用在流體上的力之間的關(guān)系。該方程考慮了流體的粘性、壓力以及重力等外力的作用，其一般形式較為復(fù)雜，包含了對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)等。對(duì)于不可壓縮牛頓流體，在笛卡爾坐標(biāo)系下的Navier-Stokes方程的分量形式為：\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu(\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialz^{2}})+\rhog_{x}\rho(\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialy}+\mu(\frac{\partial^{2}v}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialz^{2}})+\rhog_{y}\rho(\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialz}+\mu(\frac{\partial^{2}w}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialz^{2}})+\rhog_{z}其中，\rho為流體密度，u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的分量，p為壓力，\mu為動(dòng)力粘度，g_{x}、g_{y}、g_{z}分別為重力加速度在x、y、z方向上的分量。能量守恒方程則描述了流體能量的守恒關(guān)系，包括內(nèi)能、動(dòng)能和勢(shì)能等，它考慮了流體的熱傳導(dǎo)、對(duì)流以及各種能量源和匯的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，CFD具有諸多優(yōu)勢(shì)。它能夠模擬各種復(fù)雜的流體流動(dòng)現(xiàn)象，不受實(shí)驗(yàn)條件的限制，可以對(duì)不同工況下的流場(chǎng)進(jìn)行研究。在研究人工魚礁周圍的流場(chǎng)時(shí)，通過(guò)CFD可以模擬不同形狀、大小和布置方式的人工魚礁在不同海流速度、方向等條件下的流場(chǎng)變化，而這些工況在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可能難以實(shí)現(xiàn)或成本過(guò)高。CFD還可以快速地進(jìn)行大量的參數(shù)化研究，通過(guò)改變模型的參數(shù)，如人工魚礁的開孔大小、形狀、間距等，可以迅速得到相應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)果，大大提高了研究效率。它還能提供詳細(xì)的流場(chǎng)信息，如流速、壓強(qiáng)、湍動(dòng)能等物理量在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的分布情況，這些信息對(duì)于深入理解流場(chǎng)特性和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。2.3.2常用的數(shù)值模擬軟件在人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)的數(shù)值模擬研究中，有多種專業(yè)的數(shù)值模擬軟件可供選擇，其中FLUENT和ANSYS是兩款應(yīng)用較為廣泛的軟件，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。FLUENT是一款功能強(qiáng)大的CFD軟件，由美國(guó)ANSYS公司開發(fā)。它擁有豐富的物理模型庫(kù)，涵蓋了從層流到湍流、從不可壓縮流到可壓縮流、從單相流到多相流等各種流體流動(dòng)情況，能夠滿足不同類型的流場(chǎng)模擬需求。在模擬人工魚礁周圍的海水流動(dòng)時(shí)，F(xiàn)LUENT可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的湍流模型，如標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、RNGκ-ε模型或k-ωSST模型等，以準(zhǔn)確地描述湍流對(duì)海水流動(dòng)的影響。FLUENT具有靈活的網(wǎng)格劃分功能，支持多種網(wǎng)格類型，包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格等。對(duì)于復(fù)雜形狀的人工魚礁模型，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)模型的幾何形狀，提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度，同時(shí)減少網(wǎng)格生成的時(shí)間和工作量。FLUENT的求解器性能卓越，采用了先進(jìn)的數(shù)值算法，能夠快速、穩(wěn)定地求解控制方程，并且支持并行計(jì)算，大大縮短了計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算效率。在后處理方面，F(xiàn)LUENT提供了豐富的可視化工具，能夠?qū)⒛M結(jié)果以云圖、矢量圖、流線圖等多種形式直觀地展示出來(lái)，方便用戶對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析和理解。ANSYS是一款大型的通用有限元分析軟件，除了在結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用外，在CFD分析方面也表現(xiàn)出色。ANSYS具有強(qiáng)大的前處理功能，其自帶的幾何建模工具或與其他專業(yè)CAD軟件的無(wú)縫接口，使得用戶能夠方便地創(chuàng)建復(fù)雜的幾何模型，包括人工魚礁的三維模型。在網(wǎng)格劃分方面，ANSYS提供了一系列先進(jìn)的網(wǎng)格生成技術(shù)，能夠生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。ANSYS的CFD模塊與其他模塊之間具有良好的耦合性，能夠?qū)崿F(xiàn)多物理場(chǎng)的耦合分析，如流固耦合分析。在研究人工魚礁與周圍海水的相互作用時(shí)，流固耦合分析可以考慮人工魚礁結(jié)構(gòu)在水流作用下的變形以及這種變形對(duì)流場(chǎng)的反作用，從而更真實(shí)地模擬實(shí)際情況。ANSYS還擁有豐富的材料庫(kù)和模型庫(kù)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的材料屬性和物理模型，進(jìn)一步提高模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。除了FLUENT和ANSYS外，還有一些其他的數(shù)值模擬軟件也在人工魚礁流場(chǎng)研究中得到應(yīng)用，如COMSOLMultiphysics、OpenFOAM等。COMSOLMultiphysics是一款基于有限元方法的多物理場(chǎng)仿真軟件，具有強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合分析能力，能夠方便地處理流場(chǎng)與其他物理場(chǎng)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等）的相互作用。OpenFOAM是一款開源的CFD軟件，具有高度的靈活性和可定制性，用戶可以根據(jù)自己的需求對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，以滿足特定的研究需求。不同的數(shù)值模擬軟件在功能、性能和適用場(chǎng)景等方面存在一定的差異，在實(shí)際研究中，需要根據(jù)具體的研究目的、模型的復(fù)雜程度以及計(jì)算資源等因素，選擇合適的數(shù)值模擬軟件，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3.3數(shù)值模擬的基本步驟數(shù)值模擬作為研究人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的重要手段，具有一套嚴(yán)謹(jǐn)且系統(tǒng)的基本步驟，主要包括建立模型、設(shè)置參數(shù)、求解計(jì)算和結(jié)果分析，每個(gè)步驟都對(duì)模擬的準(zhǔn)確性和有效性起著關(guān)鍵作用。建立模型是數(shù)值模擬的首要任務(wù)，它直接關(guān)系到后續(xù)模擬結(jié)果的可靠性。在建立人工魚礁流場(chǎng)模型時(shí)，首先需要根據(jù)實(shí)際的人工魚礁形狀和尺寸，利用專業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks、AutoCAD等）創(chuàng)建精確的幾何模型。這些軟件具有強(qiáng)大的繪圖和建模功能，能夠方便地繪制出各種復(fù)雜形狀的人工魚礁，包括不同開孔形狀、大小和分布的模型。在建模過(guò)程中，要確保模型的幾何尺寸準(zhǔn)確無(wú)誤，盡可能真實(shí)地反映實(shí)際人工魚礁的特征。完成幾何模型構(gòu)建后，需將其導(dǎo)入到數(shù)值模擬軟件中，如FLUENT或ANSYS。在導(dǎo)入過(guò)程中，要注意模型的格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸，確保模型能夠正確地被模擬軟件識(shí)別和讀取。接下來(lái)是對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這是建立模型過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率。對(duì)于人工魚礁周圍的流場(chǎng)模型，由于流場(chǎng)在魚礁附近的變化較為復(fù)雜，因此在魚礁表面和周圍區(qū)域需要采用較細(xì)的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)的變化細(xì)節(jié)；而在遠(yuǎn)離魚礁的區(qū)域，流場(chǎng)變化相對(duì)平緩，可以采用較粗的網(wǎng)格，以減少計(jì)算量。常用的網(wǎng)格劃分方法有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，可根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算要求選擇合適的方法。在劃分網(wǎng)格后，還需要對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查和優(yōu)化，確保網(wǎng)格的正交性、縱橫比等指標(biāo)滿足計(jì)算要求，以提高計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。設(shè)置參數(shù)是數(shù)值模擬中不可或缺的環(huán)節(jié)，合理設(shè)置參數(shù)能夠使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況。在這一步驟中，首先要選擇合適的湍流模型。湍流是一種復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在人工魚礁周圍的流場(chǎng)中普遍存在。不同的湍流模型適用于不同的流動(dòng)情況，常見的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、RNGκ-ε模型、k-ωSST模型等。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型計(jì)算簡(jiǎn)單，適用于一般的湍流流動(dòng)；RNGκ-ε模型考慮了湍流的一些特性，對(duì)復(fù)雜流動(dòng)的模擬效果較好；k-ωSST模型則在近壁區(qū)域具有較高的計(jì)算精度。在選擇湍流模型時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的流場(chǎng)情況和研究目的進(jìn)行綜合考慮。還需要設(shè)置邊界條件。邊界條件是指在計(jì)算域邊界上給定的物理量或物理量的變化規(guī)律，它反映了流場(chǎng)與外界的相互作用。對(duì)于人工魚礁流場(chǎng)模擬，常見的邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件等。入口邊界通常設(shè)置為速度入口，給定來(lái)流速度的大小和方向；出口邊界一般設(shè)置為壓力出口，假設(shè)出口處的壓力為大氣壓；人工魚礁壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件，即壁面處流體的速度為零；海底邊界可設(shè)定為靜止邊界條件。在設(shè)置邊界條件時(shí)，要確保其符合實(shí)際的海洋環(huán)境和流動(dòng)情況。還需要設(shè)置流體的物理參數(shù)，如海水的密度、黏度等，這些參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)模擬結(jié)果也有重要影響。求解計(jì)算是利用數(shù)值模擬軟件對(duì)建立好的模型和設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算求解的過(guò)程。在這一過(guò)程中，模擬軟件會(huì)根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)，采用相應(yīng)的數(shù)值算法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化處理，并迭代求解離散后的代數(shù)方程組，直至滿足收斂條件。在求解過(guò)程中，需要密切關(guān)注計(jì)算的收斂情況。如果計(jì)算不收斂，可能是由于模型設(shè)置不合理、參數(shù)選擇不當(dāng)或網(wǎng)格質(zhì)量不佳等原因?qū)е碌?。此時(shí)，需要對(duì)模型、參數(shù)和網(wǎng)格進(jìn)行檢查和調(diào)整，重新進(jìn)行求解計(jì)算。為了提高計(jì)算效率，可以采用并行計(jì)算技術(shù)，將計(jì)算任務(wù)分配到多個(gè)處理器上同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，從而縮短計(jì)算時(shí)間。在計(jì)算過(guò)程中，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)算結(jié)果，觀察流場(chǎng)參數(shù)的變化趨勢(shì)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整。結(jié)果分析是數(shù)值模擬的最后一個(gè)步驟，也是獲取研究結(jié)論的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)求解計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行分析，首先要提取流場(chǎng)中的關(guān)鍵參數(shù)，如流速、壓強(qiáng)、湍動(dòng)能等，并通過(guò)云圖、矢量圖、流線圖等可視化方式將這些參數(shù)在流場(chǎng)中的分布情況展示出來(lái)。通過(guò)云圖可以直觀地看到流場(chǎng)中各參數(shù)的大小分布，如流速云圖可以清晰地顯示出流速較大和較小的區(qū)域；矢量圖能夠展示流體的流動(dòng)方向和速度大小，幫助分析流場(chǎng)的流動(dòng)模式；流線圖則可以直觀地反映流體的流動(dòng)軌跡，便于觀察流場(chǎng)中的渦旋、上升流和背渦流等現(xiàn)象。在展示結(jié)果時(shí)，要選擇合適的視角和比例尺，以便更清晰地展示流場(chǎng)的特征。除了可視化分析外，還需要對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)對(duì)不同工況下的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究開孔因素（如開孔形狀、大小、數(shù)量等）對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響規(guī)律?？梢杂?jì)算流場(chǎng)的一些特征參數(shù)，如上升流流速、背渦流水平跨度等，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法，如方差分析、相關(guān)性分析等，研究這些參數(shù)與開孔因素之間的定量關(guān)系，從而為人工魚礁的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。三、數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)3.1模型建立3.1.1人工魚礁模型選擇在本次數(shù)值模擬研究中，選取了立方體和梯形臺(tái)這兩種典型的人工魚礁模型。立方體人工魚礁具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)則，易于加工制造和投放的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中較為常見。其幾何形狀的規(guī)整性使得在數(shù)值模擬過(guò)程中網(wǎng)格劃分相對(duì)容易，能夠減少因網(wǎng)格質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的計(jì)算誤差，方便對(duì)其周圍流場(chǎng)進(jìn)行精確模擬和分析。相關(guān)研究表明，立方體人工魚礁在一定程度上能夠有效地改變水流狀態(tài)，形成上升流和背渦流等流場(chǎng)效應(yīng)，為海洋生物提供適宜的棲息環(huán)境。在一些海域的人工魚礁建設(shè)實(shí)踐中，立方體魚礁對(duì)魚類的聚集和繁殖起到了積極的促進(jìn)作用。梯形臺(tái)人工魚礁則具有獨(dú)特的幾何形狀和結(jié)構(gòu)特征，其傾斜的側(cè)面能夠引導(dǎo)水流產(chǎn)生不同的流動(dòng)模式，與立方體相比，可能會(huì)在周圍形成更復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。這種復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可能為不同習(xí)性的海洋生物提供更多樣化的棲息空間，滿足它們對(duì)水流環(huán)境的不同需求。例如，在一些研究中發(fā)現(xiàn)，梯形臺(tái)人工魚礁周圍的流場(chǎng)變化更加豐富，能夠吸引更多種類的海洋生物聚集，對(duì)于提高海域生物多樣性具有重要意義。選擇這兩種模型進(jìn)行研究，能夠全面地探討不同形狀人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響，為人工魚礁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面的參考依據(jù)。3.1.2模型參數(shù)設(shè)定對(duì)于選取的立方體人工魚礁模型，設(shè)定其邊長(zhǎng)為2m。在實(shí)際海洋環(huán)境中，這樣的尺寸能夠在一定程度上保證魚礁的穩(wěn)定性，同時(shí)也便于施工和投放。對(duì)于梯形臺(tái)人工魚礁模型，設(shè)定上底面邊長(zhǎng)為1m，下底面邊長(zhǎng)為2m，高為1.5m。這種尺寸設(shè)計(jì)既考慮了魚礁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又使其具有一定的空間復(fù)雜性，能夠更好地模擬實(shí)際應(yīng)用中人工魚礁的情況。在開孔形狀方面，選取圓形、方形和三角形作為研究對(duì)象。圓形開孔在水流通過(guò)時(shí)，水流的流速分布相對(duì)較為均勻，能夠減少水流的紊動(dòng)程度；方形開孔則可能在孔角處產(chǎn)生較強(qiáng)的紊流，對(duì)水流的擾動(dòng)較大；三角形開孔由于其特殊的形狀，會(huì)使水流在通過(guò)時(shí)產(chǎn)生獨(dú)特的流動(dòng)模式，與圓形和方形開孔的流場(chǎng)效應(yīng)有所不同。對(duì)于開孔大小，分別設(shè)置圓形開孔直徑為0.2m、0.4m和0.6m；方形開孔邊長(zhǎng)為0.2m、0.4m和0.6m；三角形開孔邊長(zhǎng)為0.2m、0.4m和0.6m。通過(guò)設(shè)置不同大小的開孔，能夠系統(tǒng)地研究開孔大小對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響規(guī)律。在開孔數(shù)量上，分別設(shè)置4個(gè)、9個(gè)和16個(gè)開孔，均勻分布在人工魚礁的表面。不同的開孔數(shù)量會(huì)導(dǎo)致水流在魚礁內(nèi)部和周圍的流動(dòng)路徑發(fā)生變化，從而影響流場(chǎng)的分布和特征。開孔的位置設(shè)置在人工魚礁的迎流面、背流面和側(cè)面等不同位置，以探究開孔位置對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響。在迎流面設(shè)置開孔，可能會(huì)改變水流的沖擊角度和強(qiáng)度，進(jìn)而影響上升流的形成和發(fā)展；在背流面設(shè)置開孔，則可能對(duì)背渦流的結(jié)構(gòu)和范圍產(chǎn)生影響；在側(cè)面設(shè)置開孔，會(huì)使水流在魚礁?jìng)?cè)面產(chǎn)生不同的流動(dòng)模式，與迎流面和背流面的流場(chǎng)相互作用，共同構(gòu)成復(fù)雜的流場(chǎng)環(huán)境。3.1.3模型簡(jiǎn)化與處理在建立人工魚礁數(shù)值模型時(shí)，為了提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化與處理。實(shí)際的人工魚礁在制造和使用過(guò)程中，可能會(huì)存在一些表面粗糙度、附屬結(jié)構(gòu)等次要因素，這些因素雖然在一定程度上會(huì)影響流場(chǎng)，但對(duì)于本次研究關(guān)注的開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的主要影響來(lái)說(shuō)，其作用相對(duì)較小。因此，在建模過(guò)程中忽略這些次要結(jié)構(gòu)，將人工魚礁模型視為表面光滑的理想幾何體，這樣可以簡(jiǎn)化模型的幾何形狀，減少網(wǎng)格劃分的復(fù)雜性，降低計(jì)算量，同時(shí)也不會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。在處理人工魚礁表面時(shí)，將其簡(jiǎn)化為理想的光滑表面，不考慮表面的微小凹凸和粗糙度。這是因?yàn)樵趯?shí)際的流場(chǎng)模擬中，表面粗糙度對(duì)水流的影響主要體現(xiàn)在邊界層的變化上，而本次研究重點(diǎn)關(guān)注的是開孔因素對(duì)流場(chǎng)的整體影響，表面粗糙度的影響相對(duì)較小，在一定程度上可以忽略不計(jì)。通過(guò)這樣的簡(jiǎn)化處理，能夠更清晰地分析開孔因素與流場(chǎng)效應(yīng)之間的關(guān)系，突出主要研究因素的作用，為后續(xù)的數(shù)值模擬和結(jié)果分析提供便利。3.2邊界條件設(shè)定3.2.1入口邊界條件在數(shù)值模擬中，入口邊界條件的設(shè)定對(duì)于準(zhǔn)確模擬人工魚礁周圍的流場(chǎng)至關(guān)重要。根據(jù)實(shí)際海洋環(huán)境中的水流情況，將入口邊界設(shè)定為速度入口。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料以及對(duì)目標(biāo)海域的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定來(lái)流速度的大小為1m/s。這一速度值是綜合考慮了目標(biāo)海域的平均海流速度以及季節(jié)性變化等因素后確定的，能夠較為真實(shí)地反映該海域的水流特征。在實(shí)際海洋中，海流速度會(huì)受到多種因素的影響，如潮汐、風(fēng)力、地形等，其大小和方向會(huì)隨時(shí)間和空間發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)目標(biāo)海域的長(zhǎng)期觀測(cè)和研究發(fā)現(xiàn)，該海域在大部分時(shí)間內(nèi)的平均海流速度接近1m/s，且在研究時(shí)間段內(nèi)，海流速度的變化范圍相對(duì)較小，因此選擇1m/s作為來(lái)流速度具有一定的代表性和合理性。來(lái)流方向設(shè)定為沿x軸正方向，這是為了簡(jiǎn)化計(jì)算并便于后續(xù)對(duì)模擬結(jié)果的分析和比較。在實(shí)際海洋環(huán)境中，水流方向可能會(huì)受到多種因素的影響而發(fā)生變化，但在本研究中，為了集中研究人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響，將來(lái)流方向固定，這樣可以排除水流方向變化對(duì)研究結(jié)果的干擾，更清晰地揭示開孔因素與流場(chǎng)效應(yīng)之間的關(guān)系。考慮到海水溫度對(duì)海水密度和黏性等物理性質(zhì)的影響，進(jìn)而會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定的作用，在入口邊界條件中設(shè)定海水溫度為20℃。這一溫度值是根據(jù)目標(biāo)海域的歷史水溫?cái)?shù)據(jù)以及研究期間的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)確定的，該海域在研究期間的水溫基本維持在20℃左右，因此選擇這一溫度值能夠較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際海洋環(huán)境。海水溫度的變化會(huì)導(dǎo)致海水密度和黏性的改變，從而影響海水的流動(dòng)特性。在較高溫度下，海水的黏性會(huì)降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，這可能會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)中的流速分布和渦旋結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此，準(zhǔn)確設(shè)定海水溫度對(duì)于提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性具有重要意義。3.2.2出口邊界條件出口邊界條件的合理設(shè)定是確保數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在本次模擬中，將出口邊界設(shè)定為壓力出口。這是基于實(shí)際海洋環(huán)境中，當(dāng)水流流出計(jì)算域時(shí)，其壓力趨近于大氣壓的原理。在實(shí)際海洋中，遠(yuǎn)離海岸和障礙物的開闊海域，海水的壓力基本保持在大氣壓水平。因此，假設(shè)出口處的壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101325Pa，這一設(shè)定符合實(shí)際情況，能夠?yàn)槟M提供合理的邊界條件。通過(guò)將出口壓力設(shè)定為大氣壓，可以保證流場(chǎng)在出口處的壓力分布符合實(shí)際物理規(guī)律，避免因出口壓力設(shè)定不合理而導(dǎo)致的流場(chǎng)計(jì)算誤差。除了壓力條件外，還需要考慮流速在出口處的變化情況。由于出口處的流速受到人工魚礁和整個(gè)流場(chǎng)的影響，難以直接給出確切的數(shù)值。在數(shù)值模擬中，通常采用基于流場(chǎng)連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程的數(shù)值方法來(lái)求解出口處的流速。在模擬過(guò)程中，計(jì)算流體力學(xué)軟件會(huì)根據(jù)入口邊界條件、流場(chǎng)內(nèi)部的流動(dòng)情況以及出口壓力條件，通過(guò)迭代計(jì)算來(lái)確定出口處的流速分布。這種方法能夠保證流場(chǎng)在出口處的連續(xù)性和動(dòng)量守恒，從而得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。3.2.3壁面邊界條件壁面邊界條件主要包括人工魚礁壁面和海底的邊界條件設(shè)定。對(duì)于人工魚礁壁面，采用無(wú)滑移邊界條件。這一條件假設(shè)在壁面處，流體與壁面之間沒有相對(duì)滑動(dòng)，即壁面處流體的速度為零。從微觀角度來(lái)看，當(dāng)流體分子與壁面接觸時(shí)，由于分子間的相互作用力，流體分子會(huì)被壁面吸附，從而導(dǎo)致壁面處的流體速度為零。這種無(wú)滑移邊界條件在許多流體力學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，能夠較好地模擬實(shí)際情況。在研究管道內(nèi)的流體流動(dòng)時(shí)，采用無(wú)滑移邊界條件可以準(zhǔn)確地描述流體在管壁處的流動(dòng)特性。對(duì)于人工魚礁壁面采用無(wú)滑移邊界條件，能夠更真實(shí)地反映水流與魚礁壁面之間的相互作用，有助于準(zhǔn)確模擬人工魚礁周圍的流場(chǎng)分布。考慮到實(shí)際的人工魚礁表面并非完全光滑，存在一定的粗糙度，而粗糙度會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生一定的影響。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度會(huì)增加水流的阻力，改變流場(chǎng)的速度分布和湍動(dòng)能等參數(shù)。為了更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，可以根據(jù)人工魚礁的實(shí)際制作材料和表面處理情況，設(shè)置合理的粗糙度參數(shù)。如果人工魚礁是由混凝土制成，其表面粗糙度可以根據(jù)混凝土的表面特性進(jìn)行設(shè)定；如果是金屬材料制成的魚礁，則需要根據(jù)金屬表面的加工工藝和腐蝕情況來(lái)確定粗糙度參數(shù)。通過(guò)合理設(shè)置粗糙度參數(shù)，可以進(jìn)一步提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，使其更符合實(shí)際海洋環(huán)境中人工魚礁周圍的流場(chǎng)特性。對(duì)于海底邊界，設(shè)定為靜止邊界條件，即海底處流體的速度為零。這是因?yàn)樵趯?shí)際海洋中，海底相對(duì)固定，海水在海底表面的流動(dòng)速度趨近于零。海底邊界條件的設(shè)定還需要考慮海底的地形和地貌特征。如果海底存在起伏較大的地形，如海底山脈、海溝等，會(huì)對(duì)海水的流動(dòng)產(chǎn)生顯著影響，此時(shí)需要更詳細(xì)地考慮海底地形對(duì)邊界條件的影響，采用更復(fù)雜的邊界模型來(lái)準(zhǔn)確描述海底邊界處的流場(chǎng)情況。但在本研究中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)海底為平坦的靜止邊界，這在一定程度上能夠滿足研究人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的需求，同時(shí)也便于對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和比較。3.3網(wǎng)格劃分3.3.1網(wǎng)格劃分方法在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格劃分是將計(jì)算區(qū)域離散化為有限個(gè)網(wǎng)格單元的過(guò)程，其劃分方法的選擇直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。常用的網(wǎng)格劃分方法包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在本次針對(duì)人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的數(shù)值模擬研究中，需根據(jù)模型特點(diǎn)和計(jì)算需求選擇合適的方法。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格單元在空間上呈規(guī)則排列，每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)都有明確的鄰接關(guān)系。在處理形狀規(guī)則、邊界條件簡(jiǎn)單的幾何模型時(shí)，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于簡(jiǎn)單的立方體人工魚礁模型，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分可以使網(wǎng)格分布均勻，節(jié)點(diǎn)排列整齊，便于進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和求解。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在計(jì)算過(guò)程中具有較高的計(jì)算精度和穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地捕捉流場(chǎng)的變化特征。由于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元之間的關(guān)系簡(jiǎn)單明確，計(jì)算程序可以更高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，從而提高計(jì)算效率。在一些對(duì)計(jì)算精度要求較高的流場(chǎng)模擬中，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地滿足計(jì)算需求，為研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。然而，當(dāng)面對(duì)復(fù)雜形狀的幾何模型時(shí)，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的局限性就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于具有不規(guī)則形狀和復(fù)雜邊界的梯形臺(tái)人工魚礁模型，要生成高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，甚至可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則展現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格單元形狀和大小可以根據(jù)幾何模型的形狀進(jìn)行靈活調(diào)整，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件。在梯形臺(tái)人工魚礁模型的網(wǎng)格劃分中，可以使用三角形、四面體等非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元，這些單元能夠緊密貼合模型的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)格的質(zhì)量和適應(yīng)性。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格還具有較強(qiáng)的局部加密能力，能夠在流場(chǎng)變化劇烈的區(qū)域（如人工魚礁表面和開孔附近）進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以更準(zhǔn)確地捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)變化。這種局部加密的特性在研究人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響時(shí)尤為重要，因?yàn)殚_孔周圍的流場(chǎng)變化復(fù)雜，需要更精細(xì)的網(wǎng)格來(lái)描述。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以采用混合網(wǎng)格劃分方法，即將結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合起來(lái)使用。對(duì)于人工魚礁模型中形狀規(guī)則的部分（如立方體的主體部分），可以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算效率和精度；而對(duì)于形狀復(fù)雜的部分（如梯形臺(tái)的傾斜面和開孔區(qū)域），則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，以確保網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確地貼合模型形狀。這種混合網(wǎng)格劃分方法充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率，是處理復(fù)雜幾何模型網(wǎng)格劃分的一種有效手段。3.3.2網(wǎng)格質(zhì)量控制網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。在進(jìn)行人工魚礁流場(chǎng)模擬的網(wǎng)格劃分過(guò)程中，需要采取一系列措施來(lái)控制和提高網(wǎng)格質(zhì)量，以確保模擬結(jié)果的可靠性。網(wǎng)格加密是提高網(wǎng)格質(zhì)量的重要手段之一。在人工魚礁周圍的流場(chǎng)中，魚礁表面和開孔附近的區(qū)域流場(chǎng)變化較為劇烈，流速、壓強(qiáng)等參數(shù)的梯度較大。為了更準(zhǔn)確地捕捉這些區(qū)域的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，需要對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。通過(guò)增加網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元的數(shù)量，可以提高網(wǎng)格的分辨率，使模擬結(jié)果更接近真實(shí)流場(chǎng)情況。在魚礁表面和開孔邊緣，采用較小的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密，能夠更精確地描述流場(chǎng)在這些區(qū)域的變化，為研究開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。加密的程度需要根據(jù)具體的模擬需求和計(jì)算資源進(jìn)行合理調(diào)整。過(guò)度加密會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，甚至可能導(dǎo)致計(jì)算不穩(wěn)定；而加密不足則無(wú)法準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)的變化特征，影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，需要通過(guò)多次試驗(yàn)和分析，確定合適的加密區(qū)域和加密程度，以在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率。網(wǎng)格平滑也是改善網(wǎng)格質(zhì)量的有效方法。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，由于模型的復(fù)雜性和網(wǎng)格生成算法的局限性，可能會(huì)產(chǎn)生一些質(zhì)量較差的網(wǎng)格單元，如扭曲度較大、縱橫比不合理的單元。這些低質(zhì)量的網(wǎng)格單元會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算的穩(wěn)定性。通過(guò)網(wǎng)格平滑操作，可以調(diào)整網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置，使網(wǎng)格單元的形狀更加規(guī)則，減少網(wǎng)格的扭曲和變形，從而提高網(wǎng)格質(zhì)量。常見的網(wǎng)格平滑算法有拉普拉斯平滑算法、改進(jìn)的拉普拉斯平滑算法等。拉普拉斯平滑算法通過(guò)對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行迭代調(diào)整，使節(jié)點(diǎn)向其鄰接節(jié)點(diǎn)的平均位置移動(dòng)，從而達(dá)到平滑網(wǎng)格的目的。改進(jìn)的拉普拉斯平滑算法則在傳統(tǒng)拉普拉斯算法的基礎(chǔ)上，引入了一些約束條件，以更好地保持網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和邊界條件，進(jìn)一步提高網(wǎng)格平滑的效果。在進(jìn)行網(wǎng)格平滑時(shí)，需要注意不要過(guò)度平滑，以免破壞網(wǎng)格對(duì)模型幾何形狀的適應(yīng)性和對(duì)流場(chǎng)變化的捕捉能力。除了網(wǎng)格加密和平滑外，還需要對(duì)網(wǎng)格的一些關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行檢查和優(yōu)化，以確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。網(wǎng)格的正交性是一個(gè)重要指標(biāo)，正交性良好的網(wǎng)格能夠減少數(shù)值計(jì)算中的誤差，提高計(jì)算精度。對(duì)于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，要求網(wǎng)格線之間盡可能相互垂直；對(duì)于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，需要保證網(wǎng)格單元的內(nèi)角接近90度。網(wǎng)格的縱橫比也是需要關(guān)注的指標(biāo)，縱橫比過(guò)大的網(wǎng)格單元可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不穩(wěn)定，因此需要控制網(wǎng)格單元的縱橫比在合理范圍內(nèi)。在劃分網(wǎng)格后，使用網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具對(duì)網(wǎng)格的正交性、縱橫比等指標(biāo)進(jìn)行檢查，對(duì)于不符合要求的網(wǎng)格單元，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以提高網(wǎng)格質(zhì)量。3.3.3網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證是確保數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。在人工魚礁流場(chǎng)模擬中，不同的網(wǎng)格數(shù)量可能會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，因此需要通過(guò)改變網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證網(wǎng)格對(duì)結(jié)果的影響，確定合適的網(wǎng)格數(shù)量，使模擬結(jié)果不隨網(wǎng)格數(shù)量的變化而發(fā)生顯著改變。在進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證時(shí)，首先建立一系列不同網(wǎng)格數(shù)量的人工魚礁流場(chǎng)模型。從較粗的網(wǎng)格開始，逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，形成多個(gè)網(wǎng)格密度不同的模型。對(duì)于每個(gè)模型，保持其他模擬參數(shù)（如邊界條件、湍流模型等）不變，僅改變網(wǎng)格數(shù)量，然后進(jìn)行數(shù)值模擬。在模擬過(guò)程中，記錄每個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果，包括流速、壓強(qiáng)、湍動(dòng)能等流場(chǎng)參數(shù)在關(guān)鍵位置（如魚礁表面、開孔附近、上升流和背渦流區(qū)域等）的值。通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)判斷網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果的影響程度。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加時(shí)，如果模擬結(jié)果（如關(guān)鍵位置的流速、壓強(qiáng)等參數(shù)）的變化逐漸減小，且在一定網(wǎng)格數(shù)量后，結(jié)果基本保持穩(wěn)定，不再隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而發(fā)生顯著變化，那么就可以認(rèn)為此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，即模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)。例如，在模擬人工魚礁周圍的上升流流速時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，上升流流速的計(jì)算結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定值后，流速的變化小于設(shè)定的誤差范圍（如0.5%），則可以確定該網(wǎng)格數(shù)量能夠保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，后續(xù)的模擬研究可以采用該網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。如果在網(wǎng)格數(shù)量增加的過(guò)程中，模擬結(jié)果持續(xù)發(fā)生較大變化，說(shuō)明當(dāng)前的網(wǎng)格數(shù)量不足，無(wú)法準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)的變化特征，需要繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，重新進(jìn)行模擬和分析，直到滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求為止。在進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證時(shí)，還可以通過(guò)繪制模擬結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)量變化的曲線，更直觀地觀察結(jié)果的變化趨勢(shì)，幫助確定合適的網(wǎng)格數(shù)量。通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，可以選擇出既能保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，又不會(huì)過(guò)度增加計(jì)算量的網(wǎng)格數(shù)量，為后續(xù)的人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的研究提供可靠的網(wǎng)格基礎(chǔ)。3.4湍流模型選擇3.4.1常見湍流模型介紹在計(jì)算流體力學(xué)中，準(zhǔn)確模擬湍流現(xiàn)象對(duì)于研究人工魚礁周圍復(fù)雜的流場(chǎng)效應(yīng)至關(guān)重要，而選擇合適的湍流模型是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。常見的湍流模型包括標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、RNGκ-ε模型、可實(shí)現(xiàn)κ-ε模型以及k-ωSST模型等，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型是一種應(yīng)用廣泛的兩方程湍流模型，由Launder和Spalding于1974年提出。該模型基于湍動(dòng)能κ和湍動(dòng)能耗散率ε這兩個(gè)變量建立方程，通過(guò)求解這兩個(gè)方程來(lái)描述湍流的特性。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型具有較高的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，在許多工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其適用于高雷諾數(shù)下的一般湍流流動(dòng)。在模擬一些簡(jiǎn)單的流動(dòng)問(wèn)題，如平板邊界層流動(dòng)、管內(nèi)流動(dòng)等時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型能夠給出較為準(zhǔn)確的結(jié)果，滿足工程計(jì)算的精度要求。它也存在一定的局限性，由于該模型是基于半經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)而來(lái)，對(duì)某些復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的模擬能力有限。在模擬強(qiáng)分離流、包含大曲率的流動(dòng)以及強(qiáng)壓力梯度流動(dòng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型的預(yù)測(cè)結(jié)果往往與實(shí)際情況存在較大偏差。該模型中的ε方程包含一些不能在壁面直接計(jì)算的項(xiàng)，因此在處理近壁區(qū)域的流動(dòng)時(shí)，需要使用壁面函數(shù)進(jìn)行修正，這在一定程度上增加了計(jì)算的復(fù)雜性和不確定性。RNGκ-ε模型是在標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)重整化群理論（RNG）發(fā)展而來(lái)。RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個(gè)解析公式，使得該模型在處理湍流漩渦等復(fù)雜流動(dòng)特征時(shí)具有更高的精度。與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型相比，RNGκ-ε模型在ε方程中加入了一個(gè)條件，有效改善了對(duì)復(fù)雜流動(dòng)的模擬精度，特別是在強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)等情況下，能夠更準(zhǔn)確地捕捉流場(chǎng)的變化。在模擬人工魚礁周圍因開孔導(dǎo)致的復(fù)雜流場(chǎng)時(shí)，RNGκ-ε模型能夠更好地描述流場(chǎng)中的渦旋結(jié)構(gòu)和能量耗散現(xiàn)象。RNGκ-ε模型還考慮了低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性的影響，提供了相應(yīng)的解析公式，使其在處理低雷諾數(shù)流動(dòng)問(wèn)題時(shí)也具有較好的表現(xiàn)。然而，RNGκ-ε模型的計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較高，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和內(nèi)存要求也更高，這在一定程度上限制了其在大規(guī)模計(jì)算中的應(yīng)用?？蓪?shí)現(xiàn)κ-ε模型是一種相對(duì)較新的湍流模型，與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型相比，它具有兩個(gè)主要的改進(jìn)點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)κ-ε模型為湍流粘性增加了一個(gè)公式，使其能夠更準(zhǔn)確地描述湍流的粘性特性；為耗散率增加了新的傳輸方程，這個(gè)方程來(lái)源于一個(gè)為層流速度波動(dòng)而作的精確方程，從而提高了對(duì)耗散率的預(yù)測(cè)精度。術(shù)語(yǔ)“realizable”意味著該模型確保在雷諾壓力中滿足數(shù)學(xué)約束，保證了湍流的連續(xù)性?？蓪?shí)現(xiàn)κ-ε模型在處理旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流等復(fù)雜流動(dòng)時(shí)，表現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型更好的性能。在模擬人工魚礁周圍流場(chǎng)中因開孔引起的流動(dòng)分離和二次流現(xiàn)象時(shí)，可實(shí)現(xiàn)κ-ε模型能夠給出更符合實(shí)際情況的結(jié)果。該模型適合的流動(dòng)類型較為廣泛，包括有旋均勻剪切流、自由流（射流和混合層）、腔道流動(dòng)和邊界層流動(dòng)等。然而，可實(shí)現(xiàn)κ-ε模型在某些特殊情況下，如同時(shí)存在靜止區(qū)和旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)計(jì)算中，可能會(huì)產(chǎn)生非物理的湍流粘性，因此在應(yīng)用時(shí)需要謹(jǐn)慎選擇。k-ωSST模型（剪切應(yīng)力傳輸模型）是一種基于k-ω模型發(fā)展而來(lái)的湍流模型，它結(jié)合了k-ω模型在近壁區(qū)域的高精度和κ-ε模型在遠(yuǎn)場(chǎng)的良好性能。k-ωSST模型通過(guò)引入一個(gè)混合函數(shù)，在近壁區(qū)域使用k-ω模型，而在遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域逐漸過(guò)渡到κ-ε模型，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的準(zhǔn)確模擬。該模型在處理邊界層流動(dòng)、特別是存在逆壓梯度的邊界層流動(dòng)時(shí)，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)邊界層的分離和再附著現(xiàn)象。在模擬人工魚礁表面附近的邊界層流動(dòng)以及因開孔導(dǎo)致的邊界層分離和再附著過(guò)程中，k-ωSST模型能夠提供更詳細(xì)和準(zhǔn)確的流場(chǎng)信息。k-ωSST模型對(duì)復(fù)雜幾何形狀和多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題也具有較好的適應(yīng)性，在實(shí)際工程應(yīng)用中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，k-ωSST模型的計(jì)算量相對(duì)較大，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的要求也較高，需要在計(jì)算效率和計(jì)算精度之間進(jìn)行合理的權(quán)衡。3.4.2本研究湍流模型選擇依據(jù)在本研究中，針對(duì)人工魚礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)影響的數(shù)值模擬，綜合考慮研究對(duì)象的特點(diǎn)和模擬條件，選擇了RNGκ-ε模型作為湍流模型。人工魚礁周圍的流場(chǎng)由于受到魚礁的阻擋和開孔的影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜的流動(dòng)特征，包括強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。RNGκ-ε模型基于重整化群理論，在處理這些復(fù)雜流動(dòng)特征方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。該模型能夠準(zhǔn)確地捕捉流場(chǎng)中的渦旋結(jié)構(gòu)，對(duì)于人工魚礁開孔后形成的各種渦旋，如背渦流、馬蹄渦等，能夠清晰地描述其形成、發(fā)展和演變過(guò)程。在分析開孔形狀和大小對(duì)流場(chǎng)的影響時(shí)，準(zhǔn)確模擬渦旋的特性對(duì)于理解流場(chǎng)的變化規(guī)律至關(guān)重要，RNGκ-ε模型能夠滿足這一要求。本研究中涉及到的流場(chǎng)涵蓋了從魚礁表面到遠(yuǎn)離魚礁的區(qū)域，包括近壁區(qū)域和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。RNGκ-ε模型不僅在處理復(fù)雜流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出色，還考慮了低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性的影響，在近壁區(qū)域也能提供較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。對(duì)于人工魚礁壁面附近的邊界層流動(dòng)，RNGκ-ε模型能夠合理地描述其速度分布和湍動(dòng)能變化，這對(duì)于研究開孔位置和數(shù)量對(duì)流場(chǎng)的影響具有重要意義。而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，該模型也能有效地模擬流場(chǎng)的整體特性，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在計(jì)算資源和時(shí)間允許的情況下，選擇計(jì)算精度較高的湍流模型是保證研究結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。雖然RNGκ-ε模型的計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較高，但其在處理復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題時(shí)的精度優(yōu)勢(shì)明顯。通過(guò)合理優(yōu)化計(jì)算參數(shù)和采用并行計(jì)算技術(shù)，可以在一定程度上提高計(jì)算效率，滿足本研究對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的要求。與其他常見的湍流模型相比，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型在處理復(fù)雜流動(dòng)時(shí)存在局限性，無(wú)法準(zhǔn)確描述人工魚礁周圍流場(chǎng)的復(fù)雜特性；可實(shí)現(xiàn)κ-ε模型在某些特殊情況下可能產(chǎn)生非物理的湍流粘性，影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；k-ωSST模型雖然在邊界層流動(dòng)模擬方面表現(xiàn)出色，但計(jì)算量較大，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求高，綜合考慮后，RNGκ-ε模型更適合本研究的需求。綜上所述，基于人工魚礁周圍流場(chǎng)的復(fù)雜特性、對(duì)近壁區(qū)域和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的模擬要求以及計(jì)算資源和精度的平衡，選擇RNGκ-ε模型作為本研究的湍流模型，能夠?yàn)樯钊胩骄咳斯~礁開孔因素對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響提供準(zhǔn)確可靠的模擬結(jié)果。四、模擬結(jié)果與分析4.1不同開孔形狀對(duì)流場(chǎng)效應(yīng)的影響4.1.1圓形開孔流場(chǎng)特性在數(shù)值模擬中，當(dāng)人工魚礁采用圓形開孔時(shí)，其周圍流場(chǎng)呈現(xiàn)出獨(dú)特的特性。從流速分布來(lái)看，在魚礁的迎流面，水流受到魚礁的阻擋后，部分水流向上流動(dòng)形成上升流。圓形開孔使得水流在通過(guò)開孔時(shí)，流速分布相對(duì)較為均勻，開孔附近的流速變化相對(duì)平緩。這是因?yàn)閳A形的幾何形狀沒有尖銳的邊角，水流在通過(guò)時(shí)不易產(chǎn)生劇烈的紊流和分離現(xiàn)象。在魚礁的背流面，由于水流繞過(guò)魚礁后形成背渦流，圓形開孔魚礁的背渦流區(qū)域相對(duì)較為規(guī)則，渦旋結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，背渦流的中心位置相對(duì)固定，渦旋的強(qiáng)度和范圍在一定程度上受到圓形開孔大小和數(shù)量的影響。從壓力分布角度分析，在魚礁的迎流面，由于水流的沖擊，壓力相對(duì)較高，且在開孔周圍，壓力分布較為均勻，沒有明顯的壓力集中區(qū)域。這是因?yàn)閳A形開孔能夠使水流較為順暢地通過(guò)，減少了水流對(duì)魚礁壁面的局部沖擊，從而降低了壓力的不均勻性。在魚礁的背流面，背渦流區(qū)域的壓力相對(duì)較低，形成了一個(gè)低壓區(qū)。這個(gè)低壓區(qū)的存在會(huì)吸引周圍的水流和海洋生物向魚礁附近聚集，對(duì)于海洋生物的棲息和繁殖具有重要意義。在渦旋結(jié)構(gòu)方面，圓形開孔魚礁周圍主要形成了背渦流和一些較小的次生渦旋。背渦流是由水流繞過(guò)魚礁后在背流面形成的，其強(qiáng)度和范圍受到來(lái)流速度、魚礁形狀以及開孔特征等多種因素的影響。在本模擬中，隨著圓形開孔直徑的增大，背渦流的強(qiáng)度略有減弱，這是因?yàn)檩^大的開孔使得水流通過(guò)魚礁的阻力減小，從而減少了背渦流的形成能量。一些較小的次生渦旋則在魚礁的側(cè)面和開孔邊緣附近形成，這些次生渦旋的存在進(jìn)一步增加了流場(chǎng)的復(fù)雜性，但它們的影響范圍相對(duì)較小，對(duì)整體流場(chǎng)的影響相對(duì)較弱。4.1.2方形開孔流場(chǎng)特性當(dāng)人工魚礁采用方形開孔時(shí)，其周圍流場(chǎng)與圓形開孔流場(chǎng)存在明顯差異。在流速分布上，方形開孔的邊角處會(huì)導(dǎo)致水流的分離和紊流現(xiàn)象加劇。水流在通過(guò)方形開孔時(shí)，在孔角處流速急劇變化，形成較強(qiáng)的紊流區(qū)域。這是因?yàn)榉叫蔚倪吔鞘沟盟鞯牧鲃?dòng)方向突然改變，水流的慣性導(dǎo)致其在孔角處產(chǎn)生分離，從而形成紊流。在魚礁的迎流面，由于方形開孔的影響，上升流的流速分布相對(duì)不均勻，在開孔附近存在流速較大的區(qū)域，這是由于水流在通過(guò)開孔時(shí)的加速作用導(dǎo)致的。在壓力分布方面，方形開孔魚礁的迎流面壓力分布相對(duì)不均勻，在開孔的角部出現(xiàn)明顯的壓力集中現(xiàn)象。這是由于水流在孔角處的分離和紊流，使得水流對(duì)孔角處的沖擊加劇，從而導(dǎo)致壓力升高。在魚礁的背流面，背渦流區(qū)域的壓力分布也較為復(fù)雜，由于背渦流受到方形開孔的影響，其結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，渦旋的中心位置和強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間發(fā)生一定的變化，這使得背流面的壓力分布也呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)。方形開孔魚礁周圍的渦旋結(jié)構(gòu)比圓形開孔更為復(fù)雜。除了背渦流外，在方形開孔的角部會(huì)形成一些小型的角渦，這些角渦是由于水流在孔角處的分離和旋轉(zhuǎn)而形成的。這些角渦的存在進(jìn)一步增加了流場(chǎng)的紊動(dòng)程度，使得水流的能量耗散加劇。背渦流的范圍和強(qiáng)度也受到方形開孔的影響，與圓形開孔相比，方形開孔魚礁的背渦流范圍相對(duì)較大，但渦旋的穩(wěn)定性較差，容易受到來(lái)流速度和其他因素的影響而發(fā)生變化。4.1.3三角形開孔流場(chǎng)特性對(duì)于采用三角形開孔的人工魚礁，其周圍流場(chǎng)展現(xiàn)出獨(dú)特的效應(yīng)。在流速分布上，三角形開孔使得水流在通過(guò)時(shí)產(chǎn)生特殊的流動(dòng)模式。由于三角形的形狀特點(diǎn)，水流在通過(guò)開孔時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)和加速，導(dǎo)致流速分布呈現(xiàn)出與圓形和方形開孔不同的特征。在魚礁的迎流面，上升流的流速分布呈現(xiàn)出一定的對(duì)稱性，這與三角形開孔的對(duì)稱形狀有關(guān)。在開孔的頂角附近，流速相對(duì)較大，這是因?yàn)樗髟谕ㄟ^(guò)頂角時(shí)受到的約束較小，流速得以增加。在壓力分布方面，三角形開孔魚礁的迎流面壓力分布也具有一定的對(duì)稱性。在開孔的頂角處，壓力相對(duì)較低，而在開孔的底邊附近，壓力相對(duì)較高。這是由于水流在通過(guò)三角形開孔時(shí)，在頂角處流速較大，根據(jù)伯努利原理，流速大則壓力小；而在底邊附近，水流受到的阻擋較大，流速減小，壓力增大。在魚礁的背流面，背渦流區(qū)域的壓力分布相對(duì)較為均勻，這是因?yàn)槿切伍_孔對(duì)背渦流的影響相對(duì)較小，背渦流的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為穩(wěn)定。三角形開孔