固液两相流对方形人工礁流场效应及稳定性的影响机制研究

本文采用计算流体力学(CFD)方法建立固液两相流场与方形礁体数值模型，创新性探究了颗粒浓度因子(0.03-2 kg/m3)和礁体沉降深度(67.5%)对礁体流场效应(上升流↓8.4%，下降流↑24.1%)及稳定性(抗滑/抗倾系数↓8.5%，沉降后↑71.9%)的影响规律，为近岸高浊度海域人工礁选址提供科学依据。

　　

Highlight

本研究通过固液两相流数值模拟揭示：1）流场颗粒浓度从0.03 kg/m³增至2 kg/m³时，礁体上升流体积减少8.4%，下降流体积增加24.1%；2）相同条件下抗滑/抗倾系数降低8.5%，而礁体沉降67.5%时稳定性指标显著提升71.9%。

Methodology

采用SolidWorks建立1:1方形礁体模型(2000mm×2000mm×2000mm)，通过CFD-DEM耦合方法模拟泥沙-水流相互作用。计算域设置为23m×12m×8m，采用RANS方程和k-ε湍流模型，在上海海洋大学动态水槽(15m×3.5m×2.3m)中进行验证实验，流速设定为0.18 m/s。

Key Findings

• 流场效应：高颗粒浓度导致礁体后方涡流(Vortex)强度减弱，上升流区域收缩8.4%，证实悬浮颗粒对湍动能耗散(TKE)具有显著调制作用。

• 稳定性机制：沉降使礁体-海床接触面积增大，边界层颗粒沉积形成"天然配重"，这是抗倾系数(Overturning Resistance)提升71.9%的关键。

Conclusion

固液两相流环境会通过颗粒相(Granular Phase)的迁移重组改变礁体绕流特性：1）低浓度时颗粒主要影响尾流区(Wake Region)涡脱频率；2）高浓度时则通过边界层沉积显著增强结构稳定性。该发现为河口高浊度区人工礁设计提供了新思路。