【摘 要】
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人工鱼礁的结构和形状等几何参数对于人工鱼礁功能发挥尤其是人工鱼礁投放的安全性均会产生影响,而且人工鱼礁的结构和形状与鱼礁投放之后受到的水动力密切相关,因此人工鱼礁的水动力性能也成为了研究人员在评估人工鱼礁建设效果时需要考虑的主要因素之一。通过人工鱼礁的水动力性能研究,建立起人工鱼礁礁体结构参数与主要作用力之间关系,从而优化人工鱼礁的设计,有效提高人工鱼礁的稳定性性能。近年来,人工鱼礁研究主要集中在
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人工鱼礁的结构和形状等几何参数对于人工鱼礁功能发挥尤其是人工鱼礁投放的安全性均会产生影响,而且人工鱼礁的结构和形状与鱼礁投放之后受到的水动力密切相关,因此人工鱼礁的水动力性能也成为了研究人员在评估人工鱼礁建设效果时需要考虑的主要因素之一。通过人工鱼礁的水动力性能研究,建立起人工鱼礁礁体结构参数与主要作用力之间关系,从而优化人工鱼礁的设计,有效提高人工鱼礁的稳定性性能。近年来,人工鱼礁研究主要集中在礁体流场效应,而对于人工鱼礁受力分析及稳定性研究较少。在人工鱼礁受力分析及物理稳定性研究中,利用水槽模型试验以及数值模拟分析礁体在水流或波浪作用下受到的阻力至关重要,目前关于人工鱼礁在不同开口比和迎流角度下的水槽模型试验以及数值模拟研究较少,且六边形开口形状的方形人工鱼礁在开口比、迎流角度等不同参数下水动力性能尚缺乏研究。如今数值模拟在人工鱼礁应用领域越来越广泛,但是对人工鱼礁在不同开口比和迎流角度下阻力系数的数值模拟和模型试验的对比验证尚缺乏研究。因此,为了研究六边形开口方形人工鱼礁阻力系数和侧向力系数与迎流角度、开口比之间的关系,利用水槽模型试验对4种开口比(γty=0.0625、0.14、0.25、0.39)六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度（θ=0°、15°、30°、45°）下的阻力、侧向力进行测定,并计算其阻力系数和侧向力系数,得出礁体在不同开口比和迎流角度下礁体水动力的变化情况。并利用FLUENT数值模拟软件对相同礁体模型在4种开口比和4种迎流角度下的水动力性能进行数值模拟,验证数值模拟在不同迎流角度和开口比下对礁体模型水动力性能研究的适用性。研究结果表明:1.六边形开口方形礁体模型阻力Fx（30°）>Fx（45°）>Fx（15°）>Fx（0°）、Fx（0.0625）>Fx（0.14）>Fx（0.25）>Fx（0.39）,侧向力Fy（30°）>Fy（15°）>Fy（45°）>Fy（0°）、Fy（0.0625）>Fy（0.14）>Fy（0.25）>Fy（39）;礁体模型阻力Fx（30°）是Fx（0°）的1.28～1.72倍,侧向力Fy（30°）是Fy（0°）的2.8～11.1倍。迎流角度对礁体模型的阻力以及侧向力可产生较大影响。2.4种开口比和4种迎流角度下,礁体模型阻力系数CD变化范围为0.98～1.53。阻力系数CD（30°）>CD（15°）>CD（45°）>CD（0°）,阻力系数CD（30°）与CD（0°）比值最大可达1.26倍;阻力系数CD（0.39）>CD（0.25）>CD（0.14）>CD（0.0625）。3.4种开口比和4种迎流角度下,礁体模型侧向力系数CL变化范围为0.001～0.21。侧向力系数CL（30°）>CL（15°）>CL（45°）>CL（0°）,侧向力系数CL（30°）与CL（0°）相比最大可达3.5倍;侧向力系数CL（0.0625）>CL（0.14）>CL（0.25）>CL（0.39）。4.当θ=30°时,不能忽视侧向力对礁体模型的作用力。5.人工鱼礁数值模拟与水槽模型试验中,阻力系数均随着开口比的增加而增加,具有明显的线性关系,且阻力系数在迎流角度θ=30°时最大。6.数值模拟与模型试验阻力的平均误差7.43%;礁体阻力系数的平均误差5.26%。水槽模型试验与数值模拟阻力和阻力系数相关系数R分别为0.99和0.80,P<0.001,具有极强的相关性,表明利用数值模拟方法对礁体在不同迎流角度以及开口比下水动力性能是可行的。7.本文对六边形开口方形人工鱼礁的稳定性进行校核,礁体抗漂移安全系数最小为3.0,抗倾覆安全系数最小为6.1,均大于1.2,表明礁体在海域流速为0.2m/s～1.2m/s范围内,礁体不会发生滑移和倾覆,并且具有较高的安全系数。本文对六边形开口方形人工鱼礁多个参数下水动力性能进行了系统的研究,对今后礁体结构设计、投放角度等提供参考。
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