（捕捞学专业论文）钢制台型礁设计、稳性校核及流场效应模型试验.pdf

ll 叭 呲叭i 呲i i i i i 呲叭帆帆 y 1818 4 0 7 上海水产大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 我恪守学术道德 崇尚严谨学风 所呈交的学位 论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除 文中已经明确注明和引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品及成果的内容 论文为本人亲自撰写 我 对所写的内容负责 并完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 厶千 竽k 日期 c 1 年7 月多日 上海水产大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅或借阅 本人授权上海水产大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影 印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密一 在多年解密后适用本版权书 本学位论文属于 不保密 口 学位论文作者躲晰科指剥雠 铂穆汤 日期 2 p 7 年7 月多日日期 秒哆7 年7 月弓日 上海水产大学硕士学位论文 钢制台型礁设计 稳性校核及流场效应模型试验 摘要 渔业水域是渔业生产得以进行的载体 水域环境质量的好坏是实 现渔业可持续发展的关键 然而 随着人类社会工业化进程的发展 生产生活排污 捕捞技术增强等因素给渔业水域带来了严重的污染 富营养化 鱼类栖息地破坏 资源衰退等问题 我国自2 0 世纪7 0 年 代起 底拖网作业导致了近海渔业水域生态环境的恶化 同时 近海 渔业资源由于捕捞强度过大而开始衰退 主要表现在 鱼类种群数量 骤减 种群低龄化 个体小型化 性成熟提前 主要经济鱼类的c p u e 下降 渔业海域污染严重 产卵场 索饵场等鱼类栖息地遭破坏 小 型低值鱼类占据了渔获物的主要部分等 人工鱼礁建设 是已被世界 上渔业发达国家证实的改善水域生态环境 修复渔业资源的有效途 径 本文围绕着人工鱼礁稳定性这个主题从礁体设计 稳性校核 流 场效应等方面进行了比较系统的理论和实践研究 文章共分为5 章 前3 章侧重人工鱼礁应用研究 后2 章重人工 鱼礁基础理论方面的研究 首先针对台州大陈海域的波流状况 水深 等设计了钢制台型人工鱼礁 礁体的基本尺寸为底座 3 5 m x 3 5 m x 0 3 m 顶面2 5 m x 2 5 m 高3 5 m 重7 1 9 t 根据波流动 力学理论对此礁体在实际投放海域所受到的最大作用力 抗漂移系数 以及抗倾覆系数等进行了计算 结果表明 该钢制四方台型礁体在波 上海水产大学硕十学位论文 流共同作用下的最大受力为3 22 5 5 n 作用力矩为4 86 4 2n m 抗 漂移系数和抗倾覆系数分别为1 4 4 2 2 3 与礁体受到的静摩擦力 重力矩相比 满足礁体稳定条件 即礁体在海底不会发生滑移或翻滚 其次 通过水槽模型实验 对人工鱼礁流场效应中上升流 背涡 流的规模进行了分析 同时还就相似理论进行了探讨 主要的研究结 果如下 1 上升流 3 种礁体的最大上升流速为来流速度的o 0 9 0 1 2 倍左右 上升流高度 台型礁约为礁高1 3 倍 十字礁约为礁高的1 5 6 倍 方形礁约为礁高的1 7 5 倍 上升流宽度 台型礁为礁宽的3 9 倍 十字礁为宽度的3 3 左右 方形礁为宽度的2 8 左右 2 背涡流 台型礁背涡流长度为礁高的o 7 5 倍 十字礁背涡流 长度为礁高的1 8 8 倍 方形礁背涡流长度为礁高的1 4 2 倍 台型礁 背涡流高度为礁高的1 0 3 倍 十字礁为礁高的o 9 6 倍 台型礁为礁 高的1 0 8 倍 3 后流域 不同x y 剖面下 后流域长度台型礁为礁高的1 1 3 3 倍 十字礁为礁高的1 1 5 3 7 倍 方形礁为礁高的1 9 5 3 7 倍 台型礁后流域宽度为礁宽的1 5 1 9 倍 十字礁为礁宽的1 2 2 2 倍 方形礁为礁宽的1 4 1 8 倍 台型礁马蹄涡长为礁高的o 5 0 9 倍 十字礁为礁高的o 8 1 1 7 倍 方形礁为礁高的o 6 1 2 倍 台型礁 马蹄涡宽为礁宽的0 4 1 0 倍 十字礁为礁宽o 3 o 8 倍 方形礁为 礁宽0 7 0 9 倍 4 本实验中测定的鱼礁模型均在自动模型区 8 7 3 10 4 r e 上海水产大学硕士学位论文 1 7 5x1 0 5 范围之内 因而实验结果经适当修正可用于推断实际流场 的特性 最后 从底质环境 鱼礁材料和流场效应等角度介绍了人工鱼礁物 理稳定性研究的进展 探讨了物理环境与人工鱼礁的相互作用 并从 物理环境 鱼礁结构和鱼礁材料等方面对人工鱼礁的稳定性进行了简 要分析 据以归纳出适合投放人工鱼礁的环境 以避免礁体在海床上 的过度沉陷或遭掩埋的状况 关键词 人工鱼礁 钢制台型礁体 稳定性 流场 上海水产人学硕十学位论文 t h ed e s i g na n ds t a b i l i t yv e r i f i c a t i o no f s t e e lp r i m s h a p e dr e e f a n dr e e fm o d e le x p e r i m e n to ff l o wf i e l d a b s t r a c t f i s h e r yw a t e r sa r et h ec a r r i e ro ff i s h e r i e sp r o d u c t i o n t h e h i g h q u a l i t yf i s h e r yw a t e r si st h ek e yo fc o n t i n u a ld e v e l o p m e n to ff i s h e r y w i t ht h ei n d u s t r i a l i z a t i o n sp r o c e s so fm a n k i n ds o c i e t y t h ep r o b l e m so f p o l l u t i o n e u t r o p h i c a t i o n t h ed e s t r o y e df i s h sh a b i t a t t h ed e c l i n e d r e s o u r c ea n ds oo na r eb r o u g h tb yi n d u s t r i a la n dl i v i n gs e w e r a g ea n d f i s h i n ge f f o r te t c s i n c e7 0 so ft h e2 0 t hc e n t u r y t h eu s eo ft r a w ln e tl e d t h ee n v i r o n m e n to f f i s h e r yw a t e rt od e p r a v a t i o n a n dt h ee x c e s s i v ef i s h i n g i n t e n s i t yl e a d st of i s h e r yr e s o u r c ed e g r a d a t i o n t h em a i np h e n o m e n a w e r et h a tt h ea m o u n to ff i s h e s g r o u pb e c o m ed e s c e n d i n g t h ea g eo f g r o u pd oy o u n g e r t h es i z eo fu n i td os m a ll e r t h eh a b i t a to ff is h e sw a s d e s t r o y e d t h em a i nc o m p o s i t i o no fc a t c h e sw a sl o w v a l u e df is h e s e t c d e p l o y m e n t o fa r t i f i c i a lr e e fi sa n a v a i l a b l em e t h o dt o i m p r o v e e n v i r o n m e n ta n dr e p a i rt h ed e g e n e r a t e df i s h e r yr e s o u r c e h a v i n gb e e n p r o v e db yd e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ew o r l d t h ep a p e ra r o u n dt h i st o p i c o fs t a b i l i t yo fa r t i f i c i a l r e e f s t u d i e do nt h et h e o r i e sa n da p p l i c a t i o ni n p r a c t i c eo ft h er e e fi nd e t a i l s u c ha st h ed e s i g no fr e e f t h ep r o o f r e a do f s t a b i l i t y t h ee f f e c to ff l o wf i e l d 上海水产大学硕士学位论文 t h ep a p e rw a sd i v i d e di n t of i v es e c t i o n sa c c o r d i n gt ot h et h e o r i e s a n da p p l i c a t i o ni np r a c t i c e t h ec o n t e n to ft h et h r e es e c t i o n si nf r o n to f t h ep a p e re m p h a s i z e do na p p l i c a t i o no ft h ea r t i f i c i a lr e e fi np r a c t i c e a n d t h ec o n t e n to ft h eo t h e rt w os e c t i o n se m p h a s i z e do nt h ef o u n d a t i o n t h e o r i e s f i r s t l y b a s e do nt h es t a t e so fw a v ea n dc u r r e n t d e p t ho fw a t e ra n d b e h a v i o ro ff i s ha tt h es e aa r e ao fr e e f sd e p l o y e di nd a c h e n g as t e e l p r i s m r e e fw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h eb a s i cs i z eo ff o u n d a t i o na n d t o ps i d e a r e3 5 m x 3 5 m x o 3 m 2 5 m x 2 5 mr e s p e c t i v e l y t h eh e i g h ti s 3 5 ma n dt h e w e i g h ti s 7 19 t t h em a x i m u mf o r c e c o e f f i c i e n to f n o t r o l l i n ga n dc o e 伍c i e n to fn o t s l i d es u b j e c t e dt ow a v ea n dc u r r e n tw a s 一 一 一 c a l c u l a t e do u ta c c o r d i n gt ot h eh y d r o d y n a m i c so fw a v ea n dc u r r e n t t h e m a x i m u mf o r c ea n dt o r q u ea r e3 22 55 n 4 86 4 2n mr e s p e c t i v e l y t h e c o e f f i c i e n to fn o t r o l l i n ga n dn o t s l i d ea r e 1 4 4 2 2 3r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht h es t a t i cf r i c t i o nf o r c ea n dw e i g h tt o r q u eo ft h er e e f t h e r e q u i r e m e n to f i t ss t a b i l i t yi sm e t t h a ti s t h er e e fd o e s n t s l i d eo rr o l la t t h ef l o o ro fs e a s e c o n d l y t h es c a l eo fu p w e l l i n ga n d t h ee d d yf i e l db e h i n dt h er e e f w e r ea n a l y z e db yr e e fm o d e le x p e r i m e n ta b o u tt h ef l o wf i e l dc a r r i e di n t h ef l u m e a tt h es a m et i m et h es i m i l a r i t yt h e o r i e sw a ss t u d i e d t h em a i n 一 c o n c l u s i o n sa sf o l l o w s 1 u p w e l l i n g t h e 甜o fu p w e l l i n gc a u s e db ya l ls o r t so f r e e f sw a s 上海水产大学硕十学位论文 a b o u to 0 8t o0 12t i m e so fi n c o m i n gv e l o c i t y t h eh e i g h to ft h es t e e l p r i s m r e e f s u p w e l l i n gw a sa b o u t1 38t i m e so ft h eh e i g h to ft h er e e f t h e h e i g h to ft h ec o n c r e t ec r o s s r e e f su p w e l l i n gw a sa b o u t1 5 6t i m e so ft h e h e i g h to ft h er e e fa n dt h eh e i g h to ft h ec o n c r e t es q u a r e r e e f su p w e l l i n g w a sa b o u t1 7 5t i m e so ft h eh e i g h to ft h er e e f t h ew i d t ho ft h es t e e l p r i s m r e e f su p w e l l i n gw a sa b o u t3 9 t i m e so ft h er e e f sw i d t h t h e c r o s s r e e f su p w e l l i n gw a sa b o u t3 3t i m e so ft h er e e f sw i d t h t h e s q u a r e r e e f su p w e l l i n gw a sa b o u t2 8t i m e so ft h er e e f sw i d t h 2 t h ee d d yf l o wb e h i n dt h er e e f t h el e n g t ho fe d d yf l o wb e h i n dt h e s t e e lp r i s m r e e fw a so 7 5t i m e so ft h eh e i g h to ft h er e e f t h el e n g t ho f e d d yf l o wb e h i n dt h ec o n c r e t ec r o s s r e e fw a s1 8 8t i m e so ft h eh e i g h to f 一 一 t h er e e f t h el e n g t ho fe d d yf l o wb e h i n dt h ec o n c r e t es q u a r e r e e fw a s 1 4 2t i m e so ft h eh e i g h to ft h er e e f s t h eh e i g h to fe d d yf l o wb e h i n dt h e s t e e lp r i s m r e e fw a sa b o u t1 0 3t i m e so ft h eh e i g h to ft h er e e f t h eh e i g h t o fe d d yf l o wb e h i n dt h ec r o s s r e e fw a sa b o u to 9 6t i m e so ft h eh e i g h to f t h er e e f t h eh e i g h to fe d d yf l o wb e h i n dt h es q u a r e r e e fw a sa b o u t1 0 8 t i m e so ft h eh e i g h to ft h er e e f 3 t h er a n g eo ff l o wb e h i n dt h er e e f s a td i f f e r e n th e i g h t t h er a n g e l e n g t ho ff l o wb e h i n dt h es t e e lp r i s m r e e fw a s1 1 t o3 3t i m e so ft h e 棒 h e i g h t f t h er e e ft h er a n g el e m g t fn wb e h i n dt h ec n c r e t ec r o s s r e e f w a s1 1 5t o3 7t i m e so f t h eh e i g h to f t h er e e f t h er a n g el e n g t ho ff l o w b e h i n dt h es q u a r e r e e fw a s1 9 5t o3 7t i m e so ft h eh e i g h to ft h er e e f t h e 上海水产大学硕十学位论文 r a n g ew i d t ho ff l o wb e h i n dt h ep r i s m r e e fw a s1 5 t o1 9t i m e so ft h e 0 w i d t ho ft h er e e f t h er a n g ew i d t ho ff l o wb e h i n dt h ec r o s s r e e fa n dt h e s q u a r e r e e fw e r e1 2t o2 2a n d1 4t o1 8 t i m e so ft h ew i d t ho ft h er e e f s r e s p e c t i v e l y t h el e n g t ho f h o r s e s h o ev o r t e xi nf r o n to ft h ep r i s m r e e f t h e c r o s s r e e fa n dt h es q u a r e r e e fw e r e0 5t o0 9a n d0 8t o1 17a n d0 6t o i 2t i m e so ft h eh e i g h to ft h er e e f sr e s p e c t i v e l y t h ew i d t ho fh o r s e s h o e v o r t e xi nf r o n to ft h ep r i s m r e e fw a s0 4t o1 0t i m e so ft h ew i d t ho ft h e r e e f t h ew i d t ho fh o r s e s h o ev o r t e xi nf r o n to ft h ec r o s s r e e fa n dt h e s q u a r e r e e fw e r e0 3t o0 8a n d 0 7t o0 9t i m e so ft h ew i d t ho ft h er e e f 4 t h em o d e lr e e f sm e a s u r e dw e r ea l li n s c o p eo ft h ea u t o m a t i c m o d e la r e ai nt h i se x p e r i m e n t 8 7 3 1 0 4 r e 去 属浅水波h 3 1 因此求 波长近似公式 c t 磊 t 呻1 不再适用 应先由u 2 g k t h k h 1 求得波数七 从 而求得波长三 再根据海况数据 将 h t h 代入 2 6 可得出 册 口 乃 巴 对式 9 进行适当的数学变换 变成为一元四次方程 利用m a t l a b 5 1 出s i n o c o s 0 将这两值代入式 7 计算得出该钢制礁体在波 流共同作用下的最大力 r 戤 3 1 2 礁体抗漂移安全性校核计算公式 礁体在水流冲击下不发生移动 即礁体不滑动 这就要求礁体与海底接触面 间的静摩擦力大于流体作用力 静摩擦力与最大流体作用力 戡的比值称为抗漂移 系数s i 该数值必须大于l 才能保证礁体不发生滑动或漂移盯 s 戤 1 0 式中 仃为礁体材料单位体积重量 蝇 m 3 对于台型钢混结构 取2 7 0 7 k g m 3 1 5 上海水产大学硕 学位论文 为礁体与海底接触面间的静摩擦系数 一般取0 6 3 1 3 礁体抗倾覆安全性校核计算公式 礁体在波流作用下不翻滚 这就要求礁体的重力和浮力的合力矩m 大于波流 最大作用力矩 如图3 1 所示 由于钢制礁体的结构较为复杂 难以准确地求 出 值 为简化计算 假设最大流体作用力瓦舣对整个迎流面产生一均布载荷 其分布密度q 刍 在迎流面上划分礁体空间区域进行分块积分 如图3 2 所示 以 其积分之和就是m 2 值 m 2 胁 d y j j q y d d y l q y d d y l q y d d y 1 1 q岛岛 d 其值i 主tm a t l a b m 3 求出 抗倾覆系数m 1s 堕 v o p g 1 1 2 1 2 m m 式中 v 为礁体实体体积 m 3 a 为礁体迎流面积 m 2 f r o 图3 1 抗倾覆系数计算示意 f i g 3 1t h es k e t c ho fc a l c u l a t i n g 3 2 结果与分析 3 2 1 礁体作用力核算 y 6 4 x y 6 4 x 3 2 图3 2 分块积分示意 f i g 3 2t h es k e t c ho fi n t e g r a li n b l o c k s 根据海区的实际情况 本研究采用的流速范围为l 5 k n 同时应用表l 中的波 1 6 上海水产大学硕士学1 1 i 论文 浪数据和公式 2 7 经计算得如图3 3 所示的结果 4 5 0 0 0 4 0 0 3 5 0 0 0 3 0 0 0 0 雹2 5 0 0 0 j2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 o 风浪s t o r m yv i i v e 8s w s s l l曩风浪s t o r m yw a v e s 腿 眦 o 5 l1 0 31 5 42 2 5 7 漉速 舶如 v d o c a y l l l 0 图3 3 不同流速下礁体所受的最人作用力 f i g 3 3m a x i m u mf o r c eo fa r t i f i c i a lr e e fa td i f f e r e n tv e l o c i t y 虽然流速以0 5 m s 1 k n 的速度递增 但是由于台型鱼礁采用钢混结构 在 保证一定重量的情况下 极大地减少了它的迎流面积 因此台型礁体所受最大作 用力增加较缓 在风浪s w s s w 流速为l k n 的情况下 礁体所受最大作用力是 3 0 1 6 n 此后潮流速度每增加l k n 礁体所受最大作用力增幅约为1 0 0 0 n i 以一1 日 为波高 刀为节数 单位为n 当流速增至5 k n 时 礁体所受最大作用力为2 1 8 5 8 n 该式也适用于本文中其他方向礁体所受最大作用力增幅状况 在风浪n e e n e 流速为l k n 的情况下 礁体所受最大作用力是5 5 5 4 n 当流速增至5 k n 时 礁体所受 最大作用力为2 8 3 2 3 n 在风浪e e s e 流速为l k n 的情况下 礁体所受最大作用 力是6 3 2 0 n 当流速增至5 k n 时 礁体所受最大作用力为3 0 0 6 4 n 在涌浪n e e n e 流速为l k n 的情况下 礁体所受最大作用力是11 8 8 1 n 当流速增至5 k n 时 礁体所 受最大作用力为4 1 2 9 6 n 在涌浪e e s e 流速为l k n 的情况下 礁体所受最大作 用力是1 1 5 5 0 n 当流速增至5 k n 时 礁体所受最大作用力为4 0 6 9 0 n 在潮流速度 为5 k n 波浪速度为涌浪n e e n e 的时候 礁体所受最大作用力达到最大 为 4 1 2 9 6 n 扭矩为6 2 2 7 6n m 1 7 上海水产大学硕士学位论文 3 2 2 礁体抗漂移安全性校核 由 1 0 式计算得如图3 4 所示的结果 1 2 i o 5 0 9 7 6 t 5 0 3 1 5 0 o l 0 31 5 42 0 6 流速 n 幽 v e l o c i t y 啦 图3 4 不同流速下礁体的抗漂移安全系数s f i g 3 4t h ec a l c u l a t i n gc o e f f i c i e n to fn o t s l i d eo fa r t i f i c i a lr e e fa td i f f e r e n tv e l o c i t y 鱼礁不漂移的条件是鱼礁与海底的摩擦阻力应大于流体的作用力 因此 抗 漂移系数s l 作为静摩擦力与最大流体作用力k 的比值应大于l 才能保证礁体不 发生滑动或漂移 鱼礁抗漂移安全系数随流速的增加呈逐渐下降的趋势 如图3 4 所示 台型鱼礁在潮流速度l 一4 k n 以及不同方向与速度的波浪综合作用下 其 抗漂移系数s l 最低为1 0 2 均大于l 在潮流速度4 k n 台型鱼礁能够承受潮流和 波浪的冲击而不会发生漂移 而当潮流速度达到5 k n 涌浪n e 一e n e 涌浪e e s e 时 这些要素均为2 0 年一遇 台型鱼礁抗漂移系数s l 小于l 分别为o 8 0 和o 8 1 这说明钢制台型礁体在潮流速度为l 4 k n 时 其抗漂移是有保证的 本 研究从增加鱼礁的设计强度出发 考虑的是鱼礁刚投放即遇到2 0 年一遇海况条件 而在实际的海况条件下一般不会短时间内出现 而随着鱼礁投放时间的延长 在 潮流的作用下 鱼礁的掩埋深度会逐渐增加 因而在一定程度上增加了鱼礁的抗 漂移能力 综合各方面因素 该鱼礁能够满足该海域的海况条件 适宜在该海域 投放 1 8 暑葛j量穹芑名盘芎譬仁 is耪w斜谢蕊嚣螺 上海水产大学硕士学位论文 3 2 3 礁体抗倾覆安全性校核 4 由式 1 1 1 2 计算可得如图3 5 所示的结果 1 1 5 4 2 渡建 i s v e l o c i t yu o 图3 5 不同潮流速度 卜 礁体的抗倾覆安全系数s z f i g 3 5t h ec a l c u l a t i n gc o e f f i c i e n to fn o t r o l l i n go fa r t i f i c i a lr e e f a td i f f e r e n tv e l o c i t y 由于台型鱼礁其外形为台棱柱 并且底座采用混凝土结构 因此其重心较低 抗倾覆性能较强 如图3 5 所示 同鱼礁抗漂移安全系数变化趋势相似 其抗倾 覆安全系数也是随流速的增加呈逐渐下降的趋势 台型鱼礁在流速度为1 5 k n 以及不同方向与速度的波浪的综合作用下 其抗倾覆系数s 2 均大于1 2 因此它在 海底不会发生翻滚 台型礁体抗倾覆系数s 2 最低的安全值是在潮流速度5 k n 涌浪 n e e n e 时 其值为1 2 3 3 3 讨论 3 3 1 礁体的特点 台型鱼礁的特点是清洁环保 体积大 重量相对较轻 重心低 水阻力小 稳 性好 结构复杂 平面相对较多 制作简单而且坚固耐用 使用寿命长 同时随 着使用年限的延长 钢制鱼礁表面释放到海水中的铁离子 铁和氮 磷 硅一样 是限制海洋浮游植物生长的重要因素 可以有效地改善海区营养盐的结构 而钢 1 9 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 坤ui o 二oc io 毒弓ijo口oq璺 魄簟嘁牟裂g鼍迟 上海水产大学硕士学位论文 混结构的鱼礁在我国应用还比较少 因而 从鱼礁材料选择角度来讲 研究该种 鱼礁对于我国今后大规模开发和利用这种材料的鱼礁具有一定的参考价值 3 3 2 稳定性 在海况要素均为2 0 年一遇的情况下 台型礁体的抗漂移和抗倾覆性能较强 两 项系数综合考虑 其稳定性安全范围为潮流速度l 4 k n 抗漂移系数平均值为1 4 4 抗倾覆系数平均值为2 2 3 所受最大作用力平均值为2 4 5 5 9 n 最大平均扭矩为3 7 0 3 6n m 相对于连云港十字型水泥礁体 在波 流共同作用下最大作用力为2 9 4 0 n 的情况下 其抗漂移系数为1 5 8 抗倾覆系数为1 6 3 h 0 1 钢制台型礁体在稳定性 方面有一定的提高 计算过程中可以发现 迎流面积是影响礁体抗漂移性能的最主要因素 由于台 型礁体除底座外全部采用钢架结构 迎流面积相对较小 因此其重量在保持相对 较轻的情况下 可在海底承受海上较大风浪的冲击而不致移位 该礁体可承受最 大作用力为3 22 5 5 n 最大扭矩为4 86 4 2n m 影响礁体抗倾覆性能的最主要因素是其自重 台型鱼礁属中小型礁体 完全的 钢架结构会使礁体的重量无法保证 因此该礁体采用钢混结构 底座为混凝土 这样设计的优点是在保证礁体稳定性的同时 不会削减钢制鱼礁的有效空方 此 外 还可以根据投放海区的不同水文特点 灵活地增大或减少底座交叉部分的宽 度来控制礁体成本 需要说明的是 本文的计算未考虑礁体的沉陷 在实际环境中 礁体会遭完全 掩埋或大部分掩埋 礁体的沉陷通常会增加礁体的稳定性 然而若沉陷量过大 也就失去了鱼礁应有的作用 因而有必要研究礁体的沉陷过程 进行有关礁体下 陷过程的模拟试验 由于礁体受波流作用形式较为复杂 理论计算与实际环境存在很大差异 因此 建议在理论计算的基础上进行一些必要的模型试验 以便对计算结果进行验证和 修正 o 上海水产火学硕十学位论文 第四章人工鱼礁流场效应的水槽实验研究 鱼礁投放水中以后 由于受海流影响 礁体周围水体的压力场随之发生变化 进而流场重新分布并形成新的流态 迎流面附近产生上升流和滞流 背流面产生 涡流 礁体内部和周围形成几何阴影区 此外 鱼礁流场的流速 流态分布受鱼 礁内部构造 外部形状及规模的影响 而且较原流场更为丰富 本章在国内外现有研究成果的基础上 以人工鱼礁流场效应为着眼点 选用 方形礁 十字礁及台型礁为模型 以不同迎流角进行水槽实验 观察其流场规模 马蹄涡 上升流 背涡流 后流域等 就实验所得结果对水阻力系数与雷诺数 的关系进行分析 为模型实验相似理论的建立打下基础 4 1 实验材料和方法 4 1 1 实验装置 一 实验场地 本实验于武昌理工大学流体实验室的循环水槽中进行 水槽为 钢制 总长为2 0 0 c m 宽度为1 8 0 c m 高度为1 0 0 c m 场地布置如图4 1 4 2 所 示 二 鱼礁模型 本实验采用三种不同类型的人工鱼礁 包含方形礁 十字礁及 台形礁 参见图4 3 鱼礁模型之基本数据参见表4 1 三 流速测量仪器 本实验使用s o n t e k1 0 m h z a d v 流速仪测量 采样速率o 1 2 5h z 采样体积0 2 5 c e 分辨率0 0 1c m s 精度为来流速度的l 四 水阻力测量仪器 六分力传感器 六分力天平 精度0 0 0 3 k g 最大称量2 0 k g 五 其他附属设备 尼龙绳 卷尺 量角器等 2 l 上海水产大学硕士学位论文 图4 1 循环回流水槽示意图 m 一调频电机 f i g 4 1s c h e m a t i cd r a w i n go fv e r t i c a lr e c i r c u l a t i n gw a t e rf l u m e 让 一 哪删k 一 眦 锄 4 1 2 实验模型礁体 a 图4 2 水槽实验装置示意图 f i g 4 2 s e to fe x p e r i m e n t b 实验用模型礁为混凝土质和铁质2 种材料 共分为不同形状和结构的共3 种 模型 共1 2 个 如图4 3 礁的几何尺寸和规格见表4 1 上海水产大学硕士学位论文 固1 硷 历 l j 一 一1 肉黼儡 碉一一 罗翰 翱 豳 图4 3模型礁图 f i g 4 3 t h ep i c t u r e so fm o d e lr e e f s 表4 1 礁体类型与规格 t a b 4 1t y p ea n ds i z eo fm o d e lr e e f s 礁型规格 c m 材质结构 t y p e so fm o d e lr e e f s s i z em a t e r i a l s t r u c t u r e 方形礁2 0 x 2 0 2 0 混凝土中空 十字礁2 0 x 2 0 2 0混凝士 中空 混凝七 台形礁2 0 x 2 0 x 2 2 5 中窀 铁质 4 1 3 实验方法 4 1 3 1 模型实验相似准则 当模型和实物处于同一自模区时 模型和实物的如数不必保持相等 这时只 要几何相似 就会自动实现阻力相似f 4 7 因而可根据下面的公式 1 计算出相应 的尺度比 再由公式 2 确定出模型实验时流速与现场流速的关系 因而 可保 证实际流场流态与水槽模型实验流态具有相似性 从而可根据实验结果来推断实 际流场的特性 2 打 生 j 旯 i l l k k 生 上海水产大学硕士学位论文 例如 以台型礁体为例 若实际礁体 3 5 m y o 5 1 2 5 7 m s r e 1 1 2 1 0 8 5 7 1 1 0 8 而水槽实验模型礁 o 2 m则由公式 1 可得 旯 1 7 5 由公式 2 得 y 0 1 2 0 6 1 m s 则r e 2 1 1 0 4 1 0 7 1 0 5 因 而当模型以0 5 m s 实验时刚刚进入自动模型区 所以如果保证模型实验在自动模 型区内则应相应的增大模型尺寸或增大实验流速 本实验在条件允许的情况下设 定的流速为0 5 m s 按照这种流速计算r e 为8 7 3 x 1 0 4 4 1 3 2 模型的水阻力测定 用如图4 2 b 所示的实验装置 模型礁采用镜像法固定于玻璃板上 模型礁迎 流面中心距离板前端为1 0 c m 在玻璃板前方再加长一块玻璃板 两块板保持同一 平面 板间无间隙 六分力传感器与板体相连 仪器精度为0 0 0 3 k g 实验测量范 围为0 2 c m s 1 o c m s 4 1 3 3 流场实测法 将模型礁体置于一块塑料板上 塑料板长1 0 0 c m 宽5 7 c m 厚0 6 c m 礁体 距板前端1 6 5 c m 两侧1 8 5 m m 如图4 2 a 模型 塑料板以及与台形钢制底座 置于流速仪正下方 实验共分2 组 第一组实验 为使实际测量 时 测量点分布更全面有效的表 现礁体周围的流场状况 在实施 试验之前 对三种礁体在o 5 m s 流速下进行了可视化试验 参见 图4 4 根据可视化试验结果 沿z 轴方向平面 即x o y 面布点测 量 共分5 面 分别距塑料板 图4 4 礁体模型可视化试验 f i g 4 4v i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n to fm o d e lr e e f s 上海水产大学硕士学位论文 5 c m 1 5 c m 2 5 c m 3 5 c m 4 5 c m 参见图4 5 5 0 4 0 童 3 0 n 2 0 l o 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 x c m 图4 5 水槽实验测量点的分布及验证断面的分布 f i g 4 5d i s t r i b u t i o no fm e a s u r e ds p o ta n ds e c t i o nf o rc o n t r a s t i n gw i t hc o m p u t e dr e s u l t s 第二组实验 对3 种模型礁体 在礁体可承受的流速范围内 根据预实验结果 礁体可承受最大来流速为0 5 c r n s 左右 根据布点进行流场规模测定并进行定量 比较和分析 4 1 4 实验步骤 模型的水阻力测定 第一组实验 1 将实验模型以镜像方式固定于一块半透明玻璃板上 板长5 2 c m 宽2 7 8 c m 厚0 8 c m 礁体距板前端 两侧分别为3 0 m m 参见图4 2 b 2 将玻璃板固定于六分力传感器下方 在板前方加装一块两倍于其面积的同材 质玻璃板 参见图4 2 b 3 分别以方形 十字以及台型礁体作为实验对象 每次实验以不同的迎流角度 参见图4 7 进行 9 0 4 5 3 0 观察其变化情形 4 启动水泵 通过控制马达 使得礁体的来流速度分别达到0 m s 0 2m s o 3 r n s 0 4m s 0 6m s 0 8m s 1 0m s 5 待来流流速稳定时 礁体的水阻力数据通过六分力传感器由计算机软件输出 记录x y z 三个方向的水阻力数值 各流速分别取5 8 组数据 6 变换实验条件 重复 1 至 5 的实验步骤 参见图4 6 2 5 上海水产大学硕士学位论文 第二组实验 1 完成第一组实验 1 至 2 的实验步骤 2 在加长板上固定一组礁体 固定方式参见图4 2 b 3 分别以十字 台型礁体作为实验对象 每次实验以不同间距 参见图4 8 f b 一亘一 斟 e c d 图4 6 水阻力试验流程图 f i g 4 6 f l o wc h a r to fl i q u i dr e s i s t a n c ee x p e r i m e n tf l o wc h a r t 9 0 图4 7 礁体模型在不同迎流角度的摆设情形 f i g 4 7 d i f f e r e n ta n g l eo fm o d e lr e e f s 2 6 上海水产大学硕士学位论文 进行 4 0 c m 3 0 c m 观察其变化情形 4 完成第一组实验 4 至 5 的实验步骤 5 变换实验条件 重复 1 至 4 的实验步骤 函 4 1 5 基本概念及符号说明 4 1 5 1 基本概念 卜一3 0 c m 一 图4 8 礁体模型组合间距 f i g 4 8s p a c eb e t w e e nm o d e lr e e f s 1 后流域 本文将后流域定义为在x o y 平面内 礁体对其后面区域的流念的 影响范围 2 马蹄涡 当来流通过钝头体时 在其前端形成的项链状或马蹄形的涡流 4 8 本文将马蹄涡定义为均匀流通过鱼礁模型时 在其前端形成的马蹄形的漩涡 4 1 5 2 符号说明 1 速度 乩 无礁时来流的速度 均流速 最大上升流的流速 v 上升流的平 2 7 上海水产大学硕士学位论文 2 礁的几何尺寸h 模型礁高 w 模型礁宽 一 p 3 上升流h p 上升流高度 上升流相对高度 h 上升流宽 度 上升流相对宽度 w 4 背涡流 巩 背涡流高度 背涡流相对高度巩 h l b 背涡流长度 背 涡流相对长度厶 h 5 马蹄涡 厶 马蹄涡长度 马蹄涡相对长度厶 h 马蹄涡宽度 马 蹄涡相对宽度 w 6 后流域厶 后流域长度 后流域相对长度厶肋 后流域宽度 后流 域相对宽度呒 w 4 2 实验结果 4 2 1 上升流 4 2 1 1 上升流流态比较 如图4 9 所示 a b c 依次代表十字礁 台形礁 方形礁 从图中可以看 出 3 种礁体结构 其上升流速度 高度 影响宽度均有其特点 上升流一般出现 在礁的前方及右上方 礁的后方出现下降流 垂向流速为负值 其中 最大上升 流速 均出现在礁的右上角附近 这种变化在3 种礁体的填充等值线图中比较直 观 松8 品兽2 q l d o p 硼3 嗣龆 罱是羚高22 罱是冷冠22 会是捣高22 t p d a p 骱 霹鼹 q d a p巾d 3 p m o 剐龆 啊3 嗣龉 小n n 一 葛c pjoo甲n勺暑时h 一q bli pjooo矗一sj02苟髫一g o piu 锄c一 o tl o o co一芎d一皿s q 6 冀暑i m石celn一口 暑v 豫蝌 8 8 导 o 品 o o o 吣求冀制埘心 求雌剐中 一静冬坷臻本 譬科樊簿剐岔毒田 昂昂宁母霉 卜 l粤坐口 8 v 艇疆 喝 垃口 8 v 眶罐 譬警谥 8 基给口 叠3 警