水流作用下人工鱼礁二维流场PIV试验研究

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.

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