中心開(kāi)孔方式人工魚(yú)礁阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

中心開(kāi)孔方式人工魚(yú)礁阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

我國(guó)已有30多年的人工魚(yú)礁研究和建設(shè)，對(duì)恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)捕魚(yú)生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮了良好的作用。人工魚(yú)礁投放于相應(yīng)海域后,受到波流的作用力即水阻力,當(dāng)水阻力大于礁體與海底間的最大靜摩擦力時(shí),礁體會(huì)出現(xiàn)移位現(xiàn)象即漂移現(xiàn)象;當(dāng)水阻力對(duì)礁體產(chǎn)生的傾覆力矩大于由礁體自重產(chǎn)生的抗傾覆力矩時(shí),礁體會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象即傾覆現(xiàn)象。人工魚(yú)礁建設(shè)是一項(xiàng)投資巨大的復(fù)雜工程,礁體的物理穩(wěn)定性在很大程度上決定其生態(tài)穩(wěn)定性,為保證人工魚(yú)礁工程建設(shè)能取得預(yù)期效果,延長(zhǎng)人工魚(yú)礁工程的生態(tài)穩(wěn)定性,使魚(yú)礁的生物誘集和增殖效應(yīng)最大化,必須對(duì)礁體的穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)的驗(yàn)算,其中礁體水阻力系數(shù)是最重要的1個(gè)參數(shù)。由于海洋的深度和廣度及其流動(dòng)的不穩(wěn)定性,人工魚(yú)礁海域的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查難度大、成本高,國(guó)內(nèi)學(xué)者普遍利用水槽或風(fēng)洞進(jìn)行礁體模型實(shí)驗(yàn)。國(guó)外學(xué)者主要是日本學(xué)者對(duì)人工魚(yú)礁的水動(dòng)力學(xué)特性作過(guò)較為系統(tǒng)的研究,通過(guò)水槽試驗(yàn)計(jì)算了角型魚(yú)礁(正方體框架型)模型的流體力特性,給出了流體阻力系數(shù)Cd的計(jì)算公式,阻力系數(shù)值在0.98~1.12之間。由于研究手段的限制,這些研究?jī)H僅對(duì)具體的礁體模型進(jìn)行了水阻力測(cè)量實(shí)驗(yàn),并沒(méi)有定量的給出魚(yú)礁外形尺寸的變化對(duì)礁體水阻力性能的影響。本文針對(duì)不同中心開(kāi)口方式(圓孔、三角孔、方孔)人工魚(yú)礁模型,通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),定量探討人工魚(yú)礁的阻力系數(shù)與開(kāi)口比之間的關(guān)系,以期找出礁體設(shè)計(jì)要素對(duì)阻力系數(shù)的影響規(guī)律,獲得不同形狀礁體的人工魚(yú)礁礁體阻力系數(shù),為今后人工魚(yú)礁設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性校核提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c設(shè)備本實(shí)驗(yàn)在武漢理工大學(xué)工程流體力學(xué)研究所的開(kāi)口循環(huán)風(fēng)洞中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)段尺寸為:直徑1m、長(zhǎng)1.5m、最大風(fēng)速60m/s。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶卜旁趯?shí)驗(yàn)平臺(tái)上方,下端與六分力傳感器固定,六分力傳感器與機(jī)床用旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)固定,通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)礁體以不同角度迎風(fēng)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、2所示。實(shí)驗(yàn)中風(fēng)速測(cè)量?jī)x器為畢托管,阻力測(cè)量?jī)x器為六分力傳感器,通過(guò)電腦連接記錄數(shù)據(jù)。其它附屬設(shè)備為溫濕度計(jì)、氣壓計(jì)、水平尺等。1.2模型材質(zhì)與特征長(zhǎng)度根據(jù)流體力學(xué)相似性原理,本實(shí)驗(yàn)采用雷諾相似準(zhǔn)則,即魚(yú)礁模型雷諾數(shù)等于實(shí)物雷諾數(shù),雷諾數(shù)計(jì)算如公式(1)。實(shí)物礁體是棱長(zhǎng)為3m的正方體型人工魚(yú)礁,取尺度比為1∶10。實(shí)物魚(yú)礁材質(zhì)為鋼筋混凝土,糙率為0.014。根據(jù)糙率相似準(zhǔn)則(公式(2)),實(shí)驗(yàn)魚(yú)礁模型材質(zhì)采用有機(jī)玻璃(見(jiàn)表1)。Re=U·l/v(1)λn=λ1/6LL1/6(2)其中,Re為雷諾數(shù),U為來(lái)流速度(m/s),l為特征長(zhǎng)度(m),v為流體運(yùn)動(dòng)黏度(m2/s),λn為實(shí)物與模型的糙率比,λL為實(shí)物與模型的尺度比。實(shí)驗(yàn)礁體模型共6種類型(見(jiàn)圖3),尺寸規(guī)格均為30cm×30cm×30cm。其中無(wú)孔型1個(gè),中心方孔型有7種不同開(kāi)口比(中心方孔邊長(zhǎng)分別為5,7.5,10,12.5,15,17.5和20cm),中心圓孔型、中心三角孔型均分別有6種開(kāi)口比(中心圓孔直徑分別為6,9,12,15,18和21cm,中心三角孔邊長(zhǎng)分別為6,9,12,15,18和21cm),正方體型和回字型各1個(gè)。1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用全面組合實(shí)驗(yàn)方法,具體因素及水平見(jiàn)表2。1.4實(shí)驗(yàn)室內(nèi)樣本六分力傳感器的安裝(1)通過(guò)水平尺檢測(cè)工作臺(tái)平面、六分力傳感器安裝平面是否為水平狀態(tài),如未達(dá)到水平狀態(tài),則通過(guò)在工作臺(tái)底部加裝墊片進(jìn)行校正。通過(guò)畢托管測(cè)量風(fēng)洞前后2個(gè)斷面垂直方向上風(fēng)速梯度,確保風(fēng)場(chǎng)均勻;(2)將礁體模型通過(guò)螺釘固定在六分力傳感器安裝平面上,利用底部旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)使礁體模型與風(fēng)洞來(lái)風(fēng)方向呈一定角度,初始為0(°);(3)記錄實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度、濕度、大氣壓,六分力傳感器取初值;(4)調(diào)節(jié)風(fēng)洞電壓,在風(fēng)速0~25m/s之間取10個(gè)風(fēng)速點(diǎn),六分力傳感器在每一風(fēng)速點(diǎn)采集3組數(shù)據(jù),取平均值;(5)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái),使礁體模型與風(fēng)洞來(lái)風(fēng)方向呈30(°)及45(°),重復(fù)步驟(4);(6)一組礁體模型測(cè)量完畢,更換下一組模型,重復(fù)步驟(2)~(5)。1.5方體魚(yú)礁模型開(kāi)口比這一概念是日本學(xué)者影山芳郎等在進(jìn)行多孔立方體魚(yú)礁水槽實(shí)驗(yàn)可視化研究中使用的。開(kāi)口即魚(yú)礁模型上的孔洞,開(kāi)口比為礁面上開(kāi)口部分的投影面積與礁面的全投影面積之比。本文將開(kāi)口比細(xì)分為2種性質(zhì),分別為通透開(kāi)口比和投影開(kāi)口比,根據(jù)礁體幾何尺寸計(jì)算得出。如圖4所示為一正方體魚(yú)礁模型(三面開(kāi)口,一面封閉),當(dāng)礁體以45(°)沖角迎流時(shí),可見(jiàn)A1為通透型開(kāi)口的投影面積,(A1+A2)為表面開(kāi)口的投影面積,A為此時(shí)礁面的全投影面積。定義通透開(kāi)口比(γtt)為礁體迎流方向的透空投影面積與礁體全投影面積的比值,表征流體流經(jīng)礁體內(nèi)部的直接通道(即γtt=A1/A);定義投影開(kāi)口比(γty)為礁體迎流方向上開(kāi)口(非封閉口)的投影面積與礁體全投影面積的比值,表征流體可經(jīng)此通道流出礁體(即γty=(A1+A2)/A)。因此本文中的投影開(kāi)口比即相當(dāng)于以前研究中采用的“開(kāi)口比”,而且0(°)沖角迎流時(shí)的通透開(kāi)口比與投影開(kāi)口比相等。以測(cè)得的中心開(kāi)孔方式(圓孔、三角孔、方孔)礁體阻力系數(shù)為變量,相應(yīng)的通透開(kāi)口比、投影開(kāi)口比為自變量,利用SPSS17.0進(jìn)行多元回歸分析,擬合出阻力系數(shù)Cd的計(jì)算公式。將測(cè)得的回字型和正方體型人工魚(yú)礁礁體阻力系數(shù)用于驗(yàn)證擬合計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。2結(jié)果與分析2.1不同開(kāi)口模式下水體的阻力系數(shù)2.1.1阻力系數(shù)選取在實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)風(fēng)速大于5m/s時(shí),阻力系數(shù)基本保持不變即進(jìn)入自動(dòng)模型區(qū),將自模區(qū)內(nèi)測(cè)得的阻力系數(shù)取平均值,即得該種模型礁體在該沖角下的阻力系數(shù)。本文所討論阻力系數(shù)均為進(jìn)入自模區(qū)的礁體阻力系數(shù)。如圖5所示,隨著投影開(kāi)口比的升高,礁體阻力系數(shù)呈下降趨勢(shì),中心三角孔型下降幅度偏緩,中心圓孔及方孔方式礁體下降幅度相似。2.1.2透平砂礁體的開(kāi)口比對(duì)阻力系數(shù)的影響如圖6所示,除30(°)沖角時(shí)中心三角孔礁體阻力系數(shù)隨投影開(kāi)口比的升高而呈上升趨勢(shì)外,中心方孔、中心圓孔、中心三角孔礁體阻力系數(shù)隨投影開(kāi)口比的增加而呈下降趨勢(shì)。當(dāng)投影開(kāi)口比相同時(shí),不同的迎風(fēng)角度使礁體具有不同通透開(kāi)口比(30(°)迎風(fēng)時(shí)通透開(kāi)口比<45(°)迎風(fēng)時(shí)通透開(kāi)口比<0(°)迎風(fēng)時(shí)通透開(kāi)口比)。以投影開(kāi)口比0.1為分隔,當(dāng)礁體投影開(kāi)口比>0.1時(shí),0(°)迎風(fēng)時(shí)阻力系數(shù)最小,45(°)時(shí)次之,30(°)時(shí)最大,即阻力系數(shù)隨通透開(kāi)口比的增加而呈下降趨勢(shì);當(dāng)礁體投影開(kāi)口比<0.1時(shí),對(duì)于中心方孔型礁體0(°)迎風(fēng)時(shí)阻力系數(shù)最大,45(°)時(shí)次之,30(°)時(shí)最小,對(duì)于中心圓孔及中心三角孔型礁體0(°)迎風(fēng)時(shí)阻力系數(shù)最大,30(°)時(shí)次之,45(°)時(shí)最小。2.2數(shù)cd的計(jì)算根據(jù)中心開(kāi)孔方式(圓孔、三角孔、方孔)礁體的阻力系數(shù)擬合結(jié)果,得出礁體為中心開(kāi)孔時(shí),阻力系數(shù)Cd可按公式(3)計(jì)算(R2=0.729,P<0.01)。Cd=-0.861γtt+0.145γty+1.268(3)在實(shí)際人工魚(yú)礁礁體設(shè)計(jì)過(guò)程中,可根據(jù)礁體的迎流角度(0(°)~90(°))計(jì)算相應(yīng)的通透開(kāi)口比、投影開(kāi)口比,代入公式(3)計(jì)算阻力系數(shù)。2.3理論公式計(jì)算的驗(yàn)證由于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果為實(shí)測(cè)值,將其視為正確值,以此來(lái)驗(yàn)證理論公式計(jì)算的結(jié)果。如表3所示,回字型和正方體型人工魚(yú)礁礁體阻力系數(shù)的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值結(jié)果相近,誤差在8%以內(nèi)。3理論公式計(jì)算值的驗(yàn)證(1)以往學(xué)者對(duì)人工魚(yú)礁所受阻力的實(shí)驗(yàn)研究都是針對(duì)某一具體形狀魚(yú)礁[10,11,12,13,14,15],由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制,在對(duì)新設(shè)計(jì)的人工魚(yú)礁進(jìn)行穩(wěn)定性校核時(shí)只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取阻力系數(shù)。本研究通過(guò)測(cè)量開(kāi)口結(jié)構(gòu)經(jīng)抽象化處理的3種正方體型礁體模型的阻力系數(shù),系統(tǒng)分析了礁體投影開(kāi)口比、通透開(kāi)口比與阻力系數(shù)之間的定量關(guān)系并擬合出了阻力系數(shù)的計(jì)算公式。通過(guò)實(shí)際投放使用(回字型和正方體型)的人工魚(yú)礁模型的實(shí)測(cè)值與理論公式計(jì)算值的對(duì)比驗(yàn)證說(shuō)明理論公式計(jì)算值是可靠的。(2)人工魚(yú)礁的阻力系數(shù)與礁體的透水性能密切相關(guān),有學(xué)者曾以孔隙率和透水系數(shù)作為表征透水性結(jié)構(gòu)物阻擋水流、保護(hù)后方構(gòu)造物及減緩沖刷性能的指標(biāo)。透水系數(shù)是反映水通過(guò)混凝土孔隙的速度,表征透水性結(jié)構(gòu)物排水性能的指標(biāo)。孔隙率反映著混凝土中孔隙的多少與連通狀況,其中可以使水通過(guò)、排出或者儲(chǔ)存的稱為有效孔隙,而水流不能進(jìn)入其中的稱為無(wú)效孔隙?？梢?jiàn)孔隙率和透水系數(shù)不僅能反映出礁體的開(kāi)口情況,同時(shí)也能反映出混凝土結(jié)構(gòu)物本身的透水性能。由于實(shí)際情況下人工魚(yú)礁礁體開(kāi)口的尺寸數(shù)量級(jí)(開(kāi)口范圍在0.1~1.5m之間)遠(yuǎn)大于混凝土結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部孔徑,因此本實(shí)驗(yàn)中僅考慮開(kāi)口情況對(duì)礁體透水性能的影響,選擇開(kāi)口比作為表征礁體透水性能的參數(shù),并根據(jù)迎流沖角的變化將開(kāi)口比劃分為通透開(kāi)口比和投影開(kāi)口比2類。今后的實(shí)驗(yàn)中,建議在0(°)~45(°)沖角范圍內(nèi)選擇多個(gè)角度進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)多元回歸分析,得出包含通透開(kāi)口比、投