随着全球近海生态环境的恶化和渔业资源的衰退，人工鱼礁作为一种重要的渔业资源恢复和生态保护手段，受到了广泛关注。人工鱼礁可导致海底上升流从而卷起海底的养料吸引鱼类，而鱼礁的背部又易形成缓流区，适合一些鱼类的生存，因此人工鱼礁逐渐成为海洋牧场的重要生产工具。
很多学者通过实验方法[1-5]和数值模拟方法[6-10]研究人工鱼礁。谭赛飞等[11]研究了人工鱼礁模型在不同流速下的速度场。通过粒子图像测速(particle image velocimetry，PIV)实验探究了不同布置方式的人工鱼礁模型，分析了流场分布和流场效应，提出了人工鱼礁最佳布置角度和间距。于定勇等[1]通过物理模型实验和数值模拟方法探讨了空心梯形人工鱼礁体在不同布设间距下的水动力特性，发现上升流规模和阻力系数与布设间距有关。同样关于布设间距的探究，成泽毅等[12]通过数值模拟研究了方形人工鱼礁在不同布设间距和来流速度下对上升流体积和垂向涡黏系数的影响，发现上升流体积与来流速度成正相关，与人工鱼礁纵向间距成正比，与横向间距成反比。Jiang等[13]通过数模和实验的方法探究了人工鱼礁在恒定流下的流场特性。黄远东等[14]研究了三棱形鱼礁在不同流速下上升流和下降流的分布特点。魏丽莹等[15]采用数值模拟方法对六角形人工鱼礁周围的流场进行模拟，分析水流流速和流向对流场效应的影响。Liu等[16]探究了星形人工鱼礁周围的流场并讨论了单个人工鱼礁和2个人工鱼礁之间的流场差别。上述学者均通过数模或实验的方法探究了不同构型鱼礁的流场分布特点以及排布间距对流场的改变。
本文将三角形人工鱼礁按照3×3方阵形式与风电桩基础共同排布，通过数值模拟和实验的方法探究了在这种排布方式下流场的水动力特性。通过对比床剪切应力及冲刷试验结果，揭示了三角形鱼礁在3×3排布方式下的防冲刷能力，为研究人工鱼礁群的水动力特性、防冲刷能力提供了参考依据。
1 水动力特性实验
生物礁的侵蚀防护效能与其在海流、波浪等动力作用下的流场特征密切相关。本节主要探究三角形人工鱼礁绕桩布设方案在定床下的水动力特性。实验采用PIV技术测定布设鱼礁后桩基础周边的流场，旨在为后续的数值模拟研究提供数据支撑。
1.1 实验设置
本文对桩周围按3×3构型布置人工鱼礁进行实验，图 1展示了三角形人工鱼礁的排布方式及实验布置，其中D为桩的直径。实验原型参考了大型风电机组(10 MW及以上)的桩径(7 m)。按照Froude缩比准则进行设计，缩比尺为1∶50。单桩模型材质选用PVC塑料管，直径为14 cm(对应7 m原型桩径)。为满足PIV实验需求，人工鱼礁采用透明亚克力材料制作，每个单元的长、宽、高分别为14、14、7 cm。为保证实验过程中模型在水槽底部稳固，使用螺栓将桩基础和鱼礁固定连接在尺寸为75 cm×75 cm×1 cm的亚克力板上，如图 1a所示。实验中，总共采用8个三角形鱼礁单元围绕圆桩排布，单元间距均为1 cm。
实验所使用水槽尺寸(长×宽×高)为20 m× 0.8 m×0.8 m，如图 1d所示。水槽上游端配置整流装置，侧壁贴有水深指示尺，末端则装设可调闸门。水泵峰值流量约为0.2 m3/s，在入流管上安装流量计以监控水槽内平均流速。造流前，根据预设工况的计算水槽流量，调整水泵功率至流量满足要求后，再调节尾部闸门开度使水深符合实验工况。实验时采用高速连续PIV系统研究桩基础和鱼礁周围的流场，该系统包括激光源和高速摄像机。激光器型号为VIASHO一字线系列，功率15 W，发射532 nm连续激光。高速摄像机型号为Nikon-C，帧率每秒2 500帧，分辨率2 560×1 600像素，内存50 GB。激光器安装在可调整的支架上，实验时激光持续照射，相机调整至最佳位置和焦距以清晰捕捉示踪粒子。流场稳定后，通过外接计算机控制高速摄影，以每秒250帧拍摄一系列粒子分布图片。最后，使用PIVLab工具箱处理图片，获得流场分布数据。
为了探究三角形人工鱼礁对桩周围流场的影响，同时设置了对照实验，即纯流下的单桩绕流实验。试验时断面平均水流速度设为0.3 m/s，水深为0.4 m。由于模型的对称性，因此在用PIV测量时仅需测量圆桩一侧的流场即可。所选取的测量断面如图 1b所示，其中断面Ⅰ有助于了解桩基础上游的下降流及下游的尾涡形态；断面Ⅱ通过了桩基础侧边，可以反映侧边冲刷程度；断面Ⅲ穿过上中下游3个人工鱼礁的内部，便于认识人工鱼礁内外的流场差异；断面Ⅳ位于人工鱼礁群的最外侧，可以考察人工鱼礁的外边缘流场。
1.2 实验结果
其中：ux和uz分别为x和z方向流速，u0为远端来流平均流速，D(·)2代表均方，上横线代表时间平均。需要注意的是，由于PIV只能采集2-D图像，本实验采样面与y轴垂直，无法采集到y方向的流速，因此式(1)并没有考虑y方向的分量。
三角形人工鱼礁绕桩下的流场如图 2c和2d所示。其中空白区域是因为在进行PIV实验时，由于光线折射及鱼礁阻挡无法拍摄的部位。对比无防护工况(见图 2a和2b)可以发现，布设鱼礁后，在桩侧(FOV Ⅱ-2)仍然存在较高的平均流速，且相同区域的平均流速比无防护时更高，这是由于三角形人工鱼礁导致了狭管效应，即水流经过三角形人工鱼礁与桩之间的狭小空间时流速增大。在断面Ⅲ和Ⅳ，来流遇到第1排鱼礁后被斜坡导流至鱼礁上方，并在鱼礁群内部形成明显的低流速区，形成导流效应。水流流速被第2和3排鱼礁层层阻滞，此阻滞效应减小了桩后平均流速和减少了湍流的开展。通过开孔进入鱼礁内部的水流可视为多个射流，与内部水体之间形成摩擦，导致较强的礁体内部湍流，因此相比图 2b，断面Ⅲ中鱼礁所在位置的湍流强度明显增大，在断面Ⅳ处仍可看到明显的湍流强度。桩后的湍流强度(见图 2d中FOV Ⅰ-2)明显降低，这是因为三角形人工鱼礁的存在阻止了桩后涡动的产生。
综上所述，布设人工鱼礁后，桩基础周围部分区域的流速或湍流强度会明显增大，主要是由流场狭管效应和人工鱼礁导流后的外部流场加速导致的。由于人工鱼礁的阻滞作用使绕流范围增大，产生范围更宽的侧向水流。此外布设人工鱼礁后，桩基础周围部分区域的流速和湍流强度会明显减小，主要是由于鱼礁对流场的阻滞作用。
2 数模设置及验证
2.1 模型的建立
本文模型流场的尺寸为20 m×0.8 m×0.8 m，桩径0.14 m，水深为0.40 m。所建立的三角形人工鱼礁如图 3a所示。三角形人工鱼礁尺寸为14 cm×14 cm×7 cm，鱼礁的横向间距和流向间距均为1 cm。
开源软件OpenFOAM在水流动力学方面的应用具有广泛性和深入性，因此本文使用OpenFOAM进行建模及计算。内部模型的建立及网格细分使用OpenFOAM自带程序snappyHexMesh。为了提高礁体仿真精度，细化区域正方形网格尺寸设置为2 mm，计算域正方形网格最大设置为50 mm。细化区域如图 3b所示。
2.2 边界条件及控制方程
入流速度设置为0.3 m/s。气体边界条件设为根据压力场自动调整，其他边界设为无滑移。采用interFOAM求解器，控制方程为：
其中：u为流场流速；ρ为实际流场密度；ρwater为水密度；ρair为空气密度；p为压力；g为重力加速度；μeff为有效黏度，定义为μeff =μ +μT，其中μ为分子本身黏度，μT是湍流涡黏度，本文采用k-ε模型计算μT；α为液体的体积分数。
2.3 数模验证
数值模型与实验室模型保持一致，水流速度设定为0.3 m/s。水流方向保持恒定，沿流场长度方向流动，人工鱼礁和桩置于水流之中，实验与数模的对比选取的横截面可见图 1c，总共选取了2个位置即FOVⅠ-1和FOV Ⅱ-2。
图 4对比了数值模拟与实验测量的平均流速分布云图。图 4a为桩正前方人工鱼礁处的流场；图 4b为桩和三角形人工鱼礁夹缝处的流场。在图 4b中数值模拟可以直接提取场数据；而实验测量因FOV Ⅱ-2前方有人工鱼礁的遮挡无法提取完整流场，因此留下了空白区域。此外对PIV测量时光线折射区域进行了插值处理。可以看到模拟与实验吻合较为理想，整体流速模拟误差大约为1%~4%。从图 4a中可看到，对于三角形人工鱼礁，其挡板具有一定的导流作用，来流经过三角形挡板向上流动在后方形成了下降流，同时下降流从三角形鱼礁孔洞进入到鱼礁内部形成涡旋。此外在FOV Ⅱ-2后侧区域也形成了低速涡旋，对比结果表明数值模拟方法具有足够的准确性和可靠性，为进一步探究人工鱼礁床剪应力提供了依据。
3 三角形人工鱼礁床剪切应力
3.1 数模分析
在研究结构物冲刷与鱼礁生态效应问题时，床剪切应力$\vec{\tau}$是一个关键参数，直接影响底栖生物的生存环境和泥沙的启动、悬浮及输沙率。本节对鱼礁影响范围内的床剪切应力的仿真结果进行分析。在本次数值模拟中，床剪切应力$\vec{\tau}$由固体表面外第1层网格的流速梯度所决定，对于不可压缩流表达式为
其中：$\vec{n}$为固体表面的单位向量，R为第1层网格内的流速梯度张量。结构物的存在改变了其周围的床剪切应力，因此冲刷研究中通常采用床剪切应力放大系数ατ来描述床剪切应力的空间变化：
其中τ∞为无穷远处床剪应力。此外本文还定义了无量纲化的床剪应力梯度放大系数：
冲刷深度与泥沙输沙率有关，而泥沙输沙率与床剪切应力正相关，因此$\alpha_{\nabla \tau}$和ατ均能表征冲刷的开展情况。
为了探究人工鱼礁对桩周围床剪切应力的影响，绘制了无防护和三角形鱼礁绕桩时桩周围的床剪切应力及其梯度图，如图 5所示。可以发现，在无防护情况下，桩周围会因马蹄涡的存在产生较大的床剪切应力，且覆盖范围较广。人工鱼礁的存在减小了桩周围的流场速度，且人工鱼礁在桩周围占据了一定的空间，使得桩周围的剪应力和其梯度的绝对值明显下降。从图 5c可以看到，三角形人工鱼礁除了在鱼礁边角及鱼礁间狭缝处会产生狭管效应，还会产生较高的ατ。图 5d中标出了$\alpha_{\nabla \tau}$峰值为426(仅在狭缝范围内产生了峰值，其他位置$\alpha_{\nabla \tau}$为0~160，因此色条代表的最大值设置为160)。由于表面开孔形成的内部射流在第1排鱼礁内部产生一定的床剪切应力。同时第1排对水流有一定的阻滞作用，使第2排鱼礁床剪切应力平均降低了38%，而第3排相比于第1排平均降低了84%。由图 5a和5c中桩周围橘红色区域可知，由于三角形人工鱼礁的存在，相比无防护工况，桩周围床剪应力平均下降了55%。
3.2 冲刷实验设置
单桩基础冲刷防护实验在长3.0 m、宽0.5 m的小型实验水槽中进行。水槽前段0.75 m为整流段，末端有调节水深的闸门。填沙实验段2.0 m，沙子粒径为0.235 mm。沙层厚度0.2 m，填沙至水槽底面。此水槽使用水泵产生最大30 m3/h的恒定水流。实验段采用有机玻璃壁面，附有水深尺，方便观测和数据收集。桩上游0.5 m处装有电磁流速仪可测量流速。根据实验水槽的尺寸，冲刷实验选用的桩直径为5 cm，三角形人工鱼礁尺寸为5 cm×5 cm×2.5 cm。实验时水深为8 cm，断面平均流速分别设为0.20、0.25、0.30 m/s。冲刷过程中三角形人工鱼礁会随地形的变化而发生偏移。冲刷时长为1 h(此值为同课题组人员对相同尺寸、相同实验条件下的方形人工鱼礁进行了冲刷平衡时长验证得到的冲刷平衡时间)。此外设置了无防护对照实验，具体工况如表 1所示。实验结束后，对生物礁位置和冲刷坑形态进行拍照记录。由于工况1~6中工况3和6流速最大，冲刷最明显，因此本节选取了这2个工况的冲刷结果在图 6展示。
当流速为0.20 m/s时只有微小的冲刷深度，且冲刷坑接近圆形。当流速较大(0.25、0.30m/s)时桩前侧冲刷较深，桩后有泥沙沉积，冲刷形态与图 5b中床剪切应力梯度的空间分布相似。桩的前半侧有较大的剪应力梯度，然后由内向外逐渐减小。而桩后的床剪切应力梯度较小，因此桩后泥沙呈沉积状态，在图 6a中尤为明显(如红线所示，实线表示冲刷坑坡降，虚线表示地表水平线)。当流速为0.25或0.30 m/s时，三角形人工鱼礁在冲刷结束后发生了位移、旋转等，原先的排布方式被部分破坏。从图 6b可以明显看到，前排的人工鱼礁向桩侧倾斜，这与3.1节猜想结果一致。当水流经过三角形人工鱼礁的前侧方形孔洞时形成局部射流，从而引起较大的床剪切应力造成鱼礁床的冲刷。图 5d中标出了最大剪应力梯度所在位置，即第1、2排鱼礁之间。可以预见，该位置将有很大的冲刷深度，导致此处的鱼礁下沉最为明显(见图 6b中红圈所示位置)。此外，三角形人工鱼礁的存在扩大了冲刷开展的区域，同时在下游出现了泥沙沉积区。图 5c中鱼礁的后方出现了低流速区，这是造成泥沙沉降的主要因素。
为了进一步量化三角形人工鱼礁对冲刷防护的影响，绘制了冲刷深度和宽度的变化百分比，如图 7所示。在3种不同流速下，三角形人工鱼礁绕桩下的桩前和桩后冲刷深度分别为无防护下的47%~64%和67%~70%。桩后冲刷深度在中、低流速工况下为0，即没有冲刷，但在高流速工况下为无防护下的44%。桩前冲刷宽度为无防护下的70%~109%，可以认为没有显著变化。桩侧冲刷宽度均比无防护时大，其中在0.2 m/s时桩前和桩侧冲刷宽度增长比最多，分别提高到1.09倍和1.69倍。桩后冲刷宽度与深度对应，在中低流速时降为0，但在高流速时为无防护下的56%。
4 结论
本文通过实验和数模的方法探究了三角形人工鱼礁对桩基础周围流场的影响，并进一步研究了其防治冲刷的效果。
实验测量和数值模拟均表明，三角形人工鱼礁改变了桩周流场，鱼礁之间以及鱼礁和桩之间会产生狭管效应(影响同排鱼礁间的流场)。而三角形人工鱼礁对水流有一定的导流作用，影响鱼礁内外的流场，同时桩的存在产生了阻滞效应，影响了下游鱼礁的流场。此外鱼礁本身会占据一定的流场空间，这些因素是引起桩周流场变化的核心因素。
鱼礁内部尤其是后排鱼礁内部流速普遍较低，因此鱼礁床剪应力也随之减小。对于三角形人工鱼礁，由于表面的孔洞形成射流也会造成局部流速增大，迎流方向上第1排鱼礁内部产生了较大的床剪切应力。由于第1排鱼礁对水流有阻滞作用，第2排鱼礁内部的床剪切应力降低了38%，而第3排鱼礁内部的床剪切应力比第1排更降低了84%。由于三角形人工鱼礁开孔方向正对底部后侧。此空间分布特征使第1排鱼礁在冲刷充分开展后向桩侧倾倒，这一点通过实验进行了证明。此外桩两侧缝隙处床剪应力最大值比无防护下桩侧最大值降低了26%。
人工鱼礁的存在扩大了桩侧的冲刷深度，3种不同流速下，冲刷宽度均增大到无防护下的1.25倍以上，而桩前、桩侧及桩后的冲刷深度则降低了22%~53%，因此三角形人工鱼礁能够降低桩周围流速，存在一定防治冲刷的效果。
下一步可针对三角形人工鱼礁开展进一步构型优化，如改变其高度、坡度、内部孔隙结构，以及研究不同的排布形式对桩周围流场的影响。此外，应开展大比尺模型实验，进一步验证冲刷防治效果。
