人工礁体纵向随机间距对单元礁流场效应的数值研究

为解决人工礁(AR)部署中间距设计对单元礁(UR)流场效应的优化难题，研究人员通过PIV实验验证数值模拟方法，以立方体礁为模型，系统分析了三组AR随机间距组合对UR流场的影响。研究发现上游间距(DA )和下游间距(DB )对上升流效应具有显著影响，其中总间距(DC )与上升流效率指数(Ie )呈强正相关(R2=0.82)；而DA ≤1.5L时能显著提升尾流效率指数(Iw )。该研究为海洋生态修复中AR布局优化提供了科学依据。

　　

海洋生态系统正面临过度捕捞和栖息地退化的严峻挑战，人工礁(AR)作为修复海洋生态的关键设施，其部署间距直接影响单元礁(UR)的流场效应。然而，实际工程中难以实现理想等距排列，且随机间距对UR水动力性能的影响机制尚不明确。为此，山东大学(威海)的研究团队在《Applied Ocean Research》发表论文，通过创新性结合粒子图像测速(PIV)实验与计算流体力学(CFD)模拟，揭示了纵向间距变化对UR流场的作用规律。

研究采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法，构建了包含三组立方体礁(特征长度L=3m)的数值模型，设置49种随机间距组合(D_A
/D_B
为1L-4L)。通过定义上升流效率指数(I_e
=V_up
/V_r
)和尾流效率指数(I_w
=V_w
/V_r
)量化评估流场效应，并采用SPSS进行多因素方差分析。

3.1 数值与实验结果对比
PIV实验数据与模拟结果在水平速度分量上高度吻合(图10)，验证了RANS方程与RNG k-ε模型在AR流场模拟中的可靠性。实验中发现激光折射和湍流粒子追踪可能引起局部数据波动，但整体误差控制在3%以内。

3.2 上升流效率指数的相关性
研究发现D_A
和D_B
对I_e
均具极显著影响(P<0.001)。当D_A
=2.5L时，I_e
与D_B
相关性最强(R2=0.80)，此时上游礁体产生的低速区趋于稳定(图12)。热图分析(图13)显示I_e
沿等间距对角线对称分布，且与总间距D_C
呈强正相关(R2=0.82)。当D_C
从3L增至9L时，I_e
提升46.4%，表明扩大总间距能有效优化上升流效应。

3.3 尾流效率指数的相关性
D_A
对I_w
影响显著(P=0.014)，而D_B
无显著作用(P=0.083)。热图(图15)显示当D_A
≤1.5L时I_w
最高，较最差值(D_A
=3L)提升18.7%。值得注意的是，虽然D_A
=4L时I_w
回升，但案例43(图16)显示礁体间尾流连续性明显劣于密集部署(D_A
≤1.5L)。

该研究创新性地提出采用总间距D_C
作为上升流优化指标，而尾流优化应优先控制D_A
≤1.5L。这为人工礁群部署提供了双重优化策略：在资源允许时通过扩大总间距增强营养盐上升效应；在有限海域采用密集布局(D_A
<1.5L)提升鱼群聚集效果。未来研究需结合复杂海床地形和多向流条件，进一步验证结论的工程适用性。论文通过机理阐释与量化模型，为海洋牧场建设和渔业资源恢复提供了可操作的设计范式。