水流作用下人工鱼礁二维流场PIV试验研究

水流作用下人工鱼礁二维流场PIV试验研究作者：王一帆
来源：《科学与财富》2019年第35期
摘要：目前，人工鱼礁已经大量投入使用，科学家对人工鱼礁是否开孔、开孔大小、开孔间距、开孔疏密进行了研究，取得了不错的进展。

本文利用粒子图像测速法（简称PIV）对人工鱼礁二维流场进行研究，通过研究开孔大小不同的方形人工鱼礁在周围水流速度相同的情况下，水对其冲击力的大小和涡量大小的变化，探究更利于鱼类生存的人工鱼礁。

本次试验研究用solidworks绘制出无孔、占比0.1倍、占比0.17倍的有孔鱼礁模型图;用3D打印技术将鱼礁模型打印出来;搭建光路板，连入CCD高速摄像机拍摄图像;通过Microvec mini软件对数据
进行相关计算;将计算结果导入tecplot绘制速度場涡量场图像，进行数据分析。

结论：开孔的鱼礁比不开孔鱼礁能更好的分散水流，减缓流速，减少涡量;占比0.1倍有孔鱼礁比占比0.17倍有孔鱼礁能更好的缓解流速，减少涡流。

鱼礁开孔有分散水流、减缓流速的作用。

孔径大小合适的鱼礁既能很好缓解流速，又能很好的减少涡流。

根据鱼礁周围流场参数可以指导鱼礁的设计和优化布设鱼礁群的优化布设，利于深海浮游植物生长和鱼类栖息、索饵、繁殖，利于渔场修复和水域生态改善。

关键词：人工鱼礁;PIV技术;开孔大小;流体力学
1研究背景及意义
人工鱼礁是人为置于海底的构筑物，会在其布设周围的一定范围内形成上升流，将海底深层的营养物质带到表层水面，促进浮游植物生长、吸引鱼类觅食。

由于其结构的复杂性，人工鱼礁还能为鱼类等提供相对安全的栖息环境和索饵繁殖场所，有利于幼鱼和繁殖期鱼类的栖息。

在投放一定时间后，人工鱼礁附近会形成稳定的生态环境，有利于渔场的自我修复。

人工鱼礁的形状多种多样，有方形、三角形、圆台形、米字型、金字塔型等。

人工鱼礁投放方式有单体布设和多体布设等。

对于如何更有效地设计和优化布设人工鱼礁，也是现今建设海洋牧场的重要课题之一。

人工鱼礁还有利于保护生物多样性。

计算流体动力学（CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动等相关物理现象的系统所做的分析。

通过此种数值模拟技术，可以得到所研究流场内各个位置上的基本物理量。

目前，已经有李珺等三人在（2010）[1]采用数值模拟方法研究了布设间距对无孔实心方型人工鱼礁周围流场的影响;邓济通等（2013）[2]研究了布设间距对无孔三棱柱形人工鱼礁周围流场的影响;于定勇等（2019）研究了不同开口比的方形鱼礁的水动力特性;黄远东等（2012）研究了多孔方型人工鱼礁周围流态效应，尚未涉及开孔占比0.1倍、0.17倍多孔方形人工鱼礁周围流场效应。

为探究开孔大小对多孔方型人工鱼礁流场效应的影响，本研究基于粒子图像测速法（简称PIV）技术，模拟无孔、开孔占比0.1倍、0.17倍三个鱼礁单体周围流态，研究结果将为鱼礁的设计和优化布设提供理论依据。

2实验研究
2.1实验原理
2.1.1 PIV技术
PIV技术（Particle Image Velocimetry）又称粒子图像测速法，在流场中布撒大量示踪粒子（粒径小于 10 微米）跟随流场运动（空气中使用空心玻璃微珠或者液体小颗粒烟雾，本次实验用的是直径10微米镀银空心小球），把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，使用高速相机拍摄流场照片，得到的前后两帧粒子图像，对图像中的粒子图像进行互相关计算得到流
场一个切面内定量的速度分布。

进一步处理可得流场涡量、流线以及等速度线等流场特性参数。

在已知的时间间隔Δt 内，跟随流体运动的示踪粒子被由脉冲激光器发出，经过透镜组作用的片光照射将粒子的瞬间位置记录在 CCD 芯片上。

如果我们知道在 t1 与 t2 这两个时刻同一颗粒微团的位移变化，从记录所得颗粒图像，根据速度的定义式就可以获得颗粒群在 t1 时刻的运动速度分布：
一般地，在应用 PIV 技术时，有三个假设：
1. 示踪粒子跟随流体运动。

由于 PIV 技术是通过测量示踪粒子的运动速度来测量流体运动速度，这就要求示踪粒子相对于流体有很好的跟随性。

直径d术是通过测的示踪粒子与流体跟随性比较好。

2. 示踪粒子在流场中均匀分布。

如果示踪粒子在流场中没有均匀分布，则在粒子浓度过大或过小处容易产生明显的错误向量。

通过实施向量修正可以去除部分错误向量，但如果错误向量过多时，则无法完全去除。

3. 判读区内具有唯一的速度。

在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为：（1）比重要尽可能与实验流体相一致;（2）足够小的尺度;（3）形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀;（4）有足够高的光散射效率。

通常在液体实验中使用空心微珠或者金属氧化物颗粒，空气实验中使用烟雾或者粉尘颗粒（超音速测量使用纳米颗粒），微管道实验使用荧光粒子等。

PIV测速系统使用激光发射器，最高发射能量为800mj;采用CCD高速摄像机如图4，拍摄帧数为200张/秒，其分辨率为
3M，且图像放大系数为0.64;示踪粒子为10微米镀银空心小球;设置互相关分析的查问域大小为32×32像素。

2.1.2 solidworks
Solidworks是一款三维建模软件;能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

Solidworks不仅提供如此强大的功能，而且操作简单方便、易学易用。

使用Solidworks，整个产品设计是可百分之百可编辑的。

本次实验中利用Solidworks绘制作了三个开孔大小不同的鱼礁模型。

2.1.3 Tecplot
Tecplot是一款功能强大的数据分析和CFD可视化处理软件。

它能按照您的设想迅速地根据数据绘图及生成动画，对复杂数据进行分析，并将您的结果与专业的图像和动画联系起来。

是绘图和数据分析的通用软件，对于进行数值模拟、数据分析和测试是理想的工具。

作为功能
强大的数据显示工具，Tecplot通过绘制XY，2-D和3-D数据图以显示工程和科学数据。

本次试验研究用tecplot分析了从摄像机里传出来的图像。

2.1.4 3D打印
3D打印（3D printing），属于快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术（即“积层造形法”）。

过去常在模具制造、工业设计等领域制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。

本次试验中用这种技术来打印鱼礁模型。

2.2实验过程
设置单一流速以方形人工鱼礁开孔大小为变量进行研究。

先绘制鱼礁模型图，用solidworks画长为30mm宽为20mm的长方形，再拉伸成高为20mm的长方体，做成无孔鱼礁模型图;然后在前后左右四个面上分别开占面积0.1倍的孔，完全贯穿，做成占比0.1倍有孔鱼礁模型图;由此类推，在无孔鱼礁前后左右四个面上开分别开占面积0.17倍的孔，做成占比0.17倍有孔鱼礁模型图。

如图5.再利用3D打印技术将模型打印出来备用，如图6.
再利用3D打印技术将模型打印出来备用，如图将三种模型依次放入三维流场中，进行试验。

为了减小激光反射影响实验结果，在鱼礁模型表面贴上黑胶布，接着向水槽注水至水面高度接近水槽高度一半为止。

在水槽右侧放置激光发射器，前端放置CCD高速摄像机;依次将人工鱼礁模型放置在水槽内，用双面胶固定将鱼礁模型于水槽靠近激光发射器一侧，以获得更加清晰的粒子运动轨迹图像。

在水槽流场中布撒（直径10微米镀银空心小球）示踪粒子，适当搅拌，使示踪粒子均匀散布，开始搅动水流，设定来流速度为0.5米/秒，待水流平稳后用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，调整CCD高速摄像机俯视拍摄角度，以能拍摄到水流的垂直面为止（拍摄帧数为200张/秒，图像放大系数为0.64，），观察二维流场，通过连续两次或多次曝光粒子的图像被记录在PIV底片上或CCD高速摄像机上。

通过Microvec mini软件对数据进行相关计算，采用自相关法或互相关法，逐点处理PIV底片或CCD高速摄像机记录的图像，获得流场速度及涡流场分布。

最后将计算数据传入tecplot，进行数据分析，绘制速度场涡流场图像。

2.3結果与分析
速度图像中红色区域说明来流速度大，颜色越重，速度越大;蓝色区域说明来流速度小，颜色越重，速度越小，绿色区域说明速度居中。

涡量图像中红色区域速度为正矢量，蓝色区域
速度为负矢量，红色与蓝色同时出现的区域是涡流形成的图像，红蓝区域的总面积说明涡流范围，颜色对比越明显，说明涡量越大。

对比速度图及涡量图可以得知水流绕过无孔鱼礁时，鱼礁背后会产生比较大的涡流，鱼礁周围的水流速度较大;水流绕过占比0.17倍的有孔鱼礁，水流可以从孔中分流一部分，但因孔较大，减缓水流的作用有限，且从孔流出的水流与绕过鱼礁过来的水流汇合后，形成较大的涡量;水流绕过占比0.1倍的有孔鱼礁，从孔流出的水流较少，阻止了大部分水流，一方面减少了鱼礁侧边的水流，降低了鱼礁侧流速，一方面孔中较少的水流汇合绕过鱼礁的侧水流，形成的漩涡涡量较小。

2.4讨论与结论
讨论：本次实验以鱼礁开孔大小为单一变量的PIV试验研究。

通过无孔鱼礁与有孔鱼礁的对比可以得出开孔的鱼礁可分散水流，减缓流速，减少涡量;通过开孔占比0.1倍鱼礁和开孔占比0.17倍开孔鱼礁的对比可以得出开孔大小合适的鱼礁能更好的缓解流速，减少涡量。

鱼礁开孔有利于分散水流，让一部分水流从孔中间流过，减缓鱼礁两边的流速，如果开孔过大的话，不仅缩弱了减缓水流的作用，而且孔中流出的水流与绕过鱼礁的水流汇合，形成的涡流较大，孔径大小合适的礁体从孔中流出的水流与绕过礁体的水流汇合后形成的涡流较小，甚至不形成涡流。

结论：开孔的鱼礁比无不开孔鱼礁能更好的分散水流，减缓流速，减少涡量;开孔占比0.1倍有孔鱼礁比开孔占比0.17倍有孔鱼礁能更好的缓解流速，减少涡流。

鱼礁开孔有可分散水流，减缓流速的作用。

孔径大小合适的鱼礁既能很好缓解流速，又能很好的减少涡流。

根据鱼礁周围流场这些参数可以指导鱼礁形状的设计和优化布设鱼礁群，利于深海浮游植物生长和鱼类栖息、索饵、繁殖，利于渔场修复和水域生态改善。

参考文献：
[1]李珺，林军，章守宇，方形人工鱼礁通透性及其对礁体周围流场影响的数值实验[D]. 上海海洋大学， 2010.
[2]于定勇，杨远航，李宇佳，不同开口比人工鱼礁体水动力特性及礁体稳定性研究[D]. 中国海洋大学， 2019.。