《Water》：A Comprehensive Framework for Urban Stormwater Drainage System Rehabilitation: Integrating Hydraulic Gradient-Driven Optimization with Multi-Demand Decision-Making
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人工鱼礁（ARs）的几何形状对其水动力特性起着重要作用，然而侧框架倾角对流分离和尾流湍流的影响尚未得到充分关注。本研究结合实验室测量与三维大涡模拟（LES），研究了四种侧框架倾角分别为θ = 90°、85°、80°和75°的开架式AR构型。所有构型保持相同的整
人工鱼礁（ARs）的几何形状对其水动力特性起着重要作用，然而侧框架倾角对流分离和尾流湍流的影响尚未得到充分关注。本研究结合实验室测量与三维大涡模拟（LES），研究了四种侧框架倾角分别为θ = 90°、85°、80°和75°的开架式AR构型。所有构型保持相同的整体尺寸和框架拓扑结构，且固体体积近似相等，以最小化因结构材料体积差异带来的影响。LES预测结果与实验吻合良好。减小倾角显著改变了平均尾流结构，A75的上部回流区长度约为A90的2.8倍，厚度约为2.5倍，而下部回流区的变化较为温和。框架锥形化还改变了湍动能的空间分布，上部分离剪切层附近出现了更明显的高TKE局部区域，主尾流区内瞬时涡旋结构的集中度更高。所有锥形构型产生的上升流体积均大于A90，其中A75增幅最大，约9.3%。相比之下，由负时间平均流向速度定义的尾流体积随倾角减小而减小，A75的降幅约为13.4%。这些发现表明，侧框架倾角是调控开架式人工鱼礁水动力特性的重要几何参数。
研究背景与问题提出
人工鱼礁（Artificial Reefs, ARs）及相关人工栖息地结构广泛应用于海洋及河流环境，用于栖息地修复、渔业管理及退化水生生态系统的恢复。这些结构不仅提供物理遮蔽、增加栖息地复杂性，还为水生生物提供避难、休憩、产卵和摄食场所。更重要的是，ARs会显著改变周围流场：当水流遇到礁体时，部分水流被向上和向两侧引导，而在结构内部及下游形成低速和回流区域。这种流动再分配可增强局部水体交换，促进悬浮物质和营养盐的输运。同时，低速尾流区也为水生生物提供了水力庇护空间。在开架式礁体中，水流从各框架构件处分离，并通过开口的流股间相互作用，产生复杂的三维湍流结构。因此，理解礁体几何形状如何影响周围流场，对于评估ARs的水动力性能、指导其设计与布放至关重要。
尽管已有大量研究探讨了开孔率、攻角、整体礁体形状及布放布局对ARs上升流和尾流特性的影响，但关于侧框架倾角变化如何影响周围流场的研究相对较少。侧框架倾角的改变可能会改变流动分离的位置、剪切层的发展以及下游尾流结构。其对平均回流模式、湍流分布及瞬时三维涡旋结构的影响尚不充分。此外，不同礁体几何形状的比较往往涉及结构尺寸和固体体积的同时变化，使得难以区分框架锥形化效应与其他几何变化的影响。因此，有必要在保持整体尺寸、框架拓扑结构及近似相等固体体积的条件下，对不同侧框架倾角进行系统性研究，以更好地理解相关的流体动力学响应。
研究内容与结论
本研究结合实验室测量与三维大涡模拟（Large-Eddy Simulation, LES），系统考察了侧框架倾角对开架式人工鱼礁流场特性和湍流结构的影响。研究设计了四种构型，侧框架倾角分别为90°（A90）、85°（A85）、80°（A80）和75°（A75），所有构型保持相同基底宽度、总高度、框架构件宽度及框架拓扑结构。研究发现：框架锥形化改变了局部流动分离与再附特性，从而改变了平均尾流结构，其中上部回流区对倾角变化的响应远强于下部回流区；湍动能（Turbulent Kinetic Energy, TKE）主要沿框架构件发出的分离剪切层分布，减小倾角使高TKE区域在上部剪切层附近更为集中；瞬时流动呈现复杂的涡旋结构，锥形化使密集涡旋结构更集中于主尾流区；框架锥形化对上升流区和尾流区的体积产生了相反的影响——所有锥形构型的上升流体积均大于A90，其中A75增幅最大（约9.3%），而尾流体积则持续减小，A75降幅约13.4%。
关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：（1）实验室水槽实验，在河海大学水力学实验室进行，使用声学多普勒测速仪（Acoustic Doppler Velocimeter, ADV）以50 Hz采样频率测量瞬时流速；（2）三维大涡模拟（LES），采用开源有限体积求解器WaterLily.jl v1.7.0，基于不可压缩粘性流的空间滤波控制方程，并使用Smagorinsky–Lilly亚格子尺度（SubGrid-Scale, SGS）涡粘模型；（3）浸入边界法，通过WaterLilyMeshBodies.jl v0.1.3导入三角化STL表面，采用边界数据浸入法（Boundary Data Immersion Method, BDIM）处理固体边界；（4）网格敏感性分析，比较了两套网格分辨率（粗网格Mesh 1和细网格Mesh 2）的结果，最终采用Mesh 2进行后续模拟。
研究结果
3.1 时均流场与流动分离
研究人员通过分析归一化时均流向速度分布发现，所有构型在礁体下游均呈现明显的速度亏损。水平面上，A90在两侧框架构件后方形成两个独立的低速区，随着倾角减小，这两个区域逐渐融合，形成更连续的低动量尾流。纵向垂直剖面显示，礁体后方存在两个不同的平均回流区：一个位于顶部框架后方（上部回流区），另一个靠近床面（下部回流区）。定量分析表明，上部回流区对倾角变化极为敏感：A75的归一化长度和最大厚度分别达到A90的约2.8倍和2.5倍。相比之下，下部回流区的变化较为温和，其长度从A90的约0.48D增至A80和A75的0.60D后趋于稳定。
3.2 湍流特性
湍动能（TKE）分布显示，高TKE主要集中在从侧框架构件延伸出的两个狭长区域内，对应于包围低速尾流的分离剪切层。纵向垂直剖面上，两个主要的高TKE区域分别位于上部回流区顶部框架后缘和下部回流区近床面处。框架锥形化的影响在上部尾流中尤为明显：A80和A75在上部分离剪切层附近呈现出更突出的局部高TKE集中区，这与上部回流区对倾角变化的强烈响应一致。
3.3 瞬时流动结构
研究人员采用Q准则（Q-criterion）识别瞬时涡旋结构。结果表明，开架式礁体周围的流动呈现丰富的三维涡旋结构，源自框架边缘的流动分离及通过内部开口的流股相互作用。俯视图对比显示，A90的涡旋场横向分布较宽，而随着倾角减小（特别是A80和A75），密集的涡旋结构更集中于主尾流区，横向扩散减少。
3.4 上升流与尾流区特征
研究人员定义了上升流区（时均垂向速度w? > 0）和尾流区（时均流向速度ū < 0），并量化了其体积。结果显示，在参考阈值w?/U? > 0.10下，所有锥形构型的上升流体积均大于A90，其中A75增幅最大（约9.3%）。阈值敏感性分析表明，虽然四个构型的排名会随阈值变化，但A75相对于A90的增幅在不同阈值（0.05–0.15）下保持一致。相反，尾流体积随倾角减小持续下降，A75相比A90减少了约13.4%。这表明框架锥形化以不同方式改变了礁体周围的流动再分配。
总结与讨论
本研究通过实验室测量与大涡模拟相结合的方法，揭示了侧框架倾角作为调控开架式人工鱼礁水动力特性的重要几何参数。主要结论如下：（1）框架锥形化改变了局部流动分离与再附特性，上部回流区对倾角变化极为敏感，A75的长度和厚度分别达到A90的约2.8倍和2.5倍，而下部回流区变化较为温和；（2）高TKE主要分布在框架构件发出的分离剪切层沿线，减小倾角使高TKE区域在上部剪切层附近更为集中；（3）瞬时涡旋结构随倾角变化，A80和A75的密集涡旋更集中于主尾流区；（4）框架锥形化使上升流体积增大（A75比A90增加约9.3%），尾流体积减小（A75比A90减少约13.4%），两者呈相反变化趋势。研究指出，当前工作是在固定来流速度和平坦床面条件下针对单个礁体开展的，未来需考虑更高雷诺数、不同床面粗糙度条件、多个礁体布设及更真实的海洋环境，以验证所观察到的水动力趋势的稳健性并支撑实际礁体设计。
