了解人工鱼礁周围的湍流振荡流，深入研究大涡模拟

人工鱼礁越来越多地被用在沿海地区，以促进海洋生物多样性、保护海岸线和增加渔业资源。这些鱼礁的结构从简单到复杂，由人工建造而成，它们以错综复杂的方式与周围水域的水动力相互作用。影响人工鱼礁的最重要力量之一是湍流振荡流，它是由波浪、潮汐和其他水流引起的。了解人工鱼礁周围湍流的行为对于设计更有效的鱼礁结构和优化其生态和环境效益至关重要。

大涡模拟 (Large eddy simulation, LES)在研究湍流中的应用提供了一种先进的方法来建模和模拟这些流动在不同尺度上的动态。LES 能够解析大型湍流涡流，同时模拟较小的亚网格尺度结构，从而更准确地表示复杂珊瑚礁几何形状周围的流体结构相互作用。

人工鱼礁周围的湍流

湍流的特点是流体运动混乱且不规则，会对人工礁石的物理和生物特性产生深远影响。湍流的振荡性质通常由波浪或潮汐驱动，会引入各种湍流模式，并以不同的方式与礁石结构相互作用。

人工鱼礁周围湍流的主要特征包括速度变化、剪切应力、上升流和下降流。湍流可能导致速度波动，从而导致复杂的流动模式；湍流和人工鱼礁表面之间的相互作用会产生剪切应力，这会影响沉积物输送、侵蚀。鱼礁周围的振荡流可能造成上升流区域（海水被抬离海底）和下降流区域（海水被迫流向海底），这些过程可能显著影响局部营养循环和海洋生物的分布。

大涡模拟 (LES) 已成为研究沿海和珊瑚礁环境中湍流的重要工具，因为它能够模拟大涡的动态，同时通过子网格模型近似小涡的影响。LES 与雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 等传统方法的不同之处在于，它可以直接解析最重要的湍流结构，从而更准确地预测复杂、不稳定环境中的流动模式和应力。

在人工鱼礁的背景下，LES 提供详细的三维流场，这对于捕捉湍流和礁石几何形状之间的复杂相互作用至关重要。LES 可以模拟礁体周围振荡流的不稳定性质，包括涡流形成和湍流发展的瞬态行为。LES 可以与沉积物输送、波浪动力学和生物生长模型相结合，全面展示湍流如何影响礁体周围的物理结构和生态系统。

人工鱼礁湍流振荡流大涡模拟研究现状

在相关研究中，Ronglan利用隐式大涡模拟 (iLES)模拟了为增强风暴抵抗力而设计的人工礁石上的湍流。该研究表明，礁石的几何形状显著影响了湍流结构的形成，进而影响了风暴潮和大浪期间礁石的稳定性。

Tschisgale 等人探索了水下水生冠层的流体结构相互作用，重点研究了柔性叶片，这与波浪与人工礁石结构之间的动态相互作用有相似之处。研究表明，结构的灵活性可以减少峰值湍流并增强礁石周围流动的稳定性。这一发现强调了材料选择和几何形状在优化人工礁石性能方面的重要性。

另外一项研究还探讨了 LES 在模拟人工礁体结构湍流方面的性能，重点研究了流动分离和涡旋动力学。这项研究表明，LES 可以为湍流剪切应力对礁体侵蚀和泥沙输送的影响提供有价值的见解。

新的研究发现

一项新的研究，采用内部大涡模拟模型研究了海床上单个人工鱼礁周围平面振荡流引起的三维湍流场。采用浸入边界法在人工鱼礁表面施加边界条件。

研究发现，人工鱼礁主要发育两个区域：位于人工鱼礁上游上方的上升流区和下游的尾流区。在振荡流周期的所有阶段，湍流强度似乎都与尾流区直接相关，而在人工鱼礁上游则没有湍流。人工礁石的高度对上升流和尾流区的尺寸有直接影响，上升流区受到的影响比尾流区更大。礁石高度的增加会导致内部和尾流区产生更强的湍流。

• 上升流区：位于珊瑚礁的上游和上方，其特点是水流与珊瑚礁表面相互作用时产生垂直水流运动。上升流区域会促进沉积物再悬浮。
• 尾流区：位于珊瑚礁后方，形成湍流尾流，流动分离导致流速较低的回流区。尾流区的特点是湍流强烈，这可能会增强水循环和营养物质的输送，从而改善水质并增强生物多样性。

研究表明，人工鱼礁设计在优化流动模式中的作用，人工鱼礁的几何形状（例如其高度、形状和位置）直接影响结构周围的湍流和能量耗散。该研究强调了在设计用于海岸保护和生物多样性增强的人工珊瑚礁时考虑这些因素的重要性。

人工鱼礁湍流模拟中的挑战

尽管 LES 在模拟湍流方面具有优势，但将该技术应用于人工鱼礁仍然存在一些挑战。

LES 需要精细的网格分辨率才能准确捕捉大型湍流涡流和流动结构。在人工礁石等几何形状复杂的环境中，这会导致极高的计算成本。随着礁石结构的复杂性增加，对更精细网格和更多计算资源的需求也在增加。在不影响准确性的情况下优化网格分辨率是 LES 模型面临的一项重大挑战。

模拟湍流与礁石物理结构之间的相互作用是另一个挑战。在现实世界中，礁石表面不规则，粗糙度和孔隙度各不相同，这会对流动产生重大影响。准确捕捉这些相互作用需要复杂的边界条件，这些边界条件要考虑礁石的物理特性，例如摩擦阻力和表面粗糙度，而这些特性并不总是容易参数化的。

人工礁石通常位于浅水沿海地区，边界层效应占主导地位。礁石表面附近的湍流规模可能与自由水流中的湍流规模有很大不同。LES 模型必须准确解析边界层动力学，以确保准确预测礁石表面附近的剪切应力、沉积物输送和流动分离。

虽然 LES 提供了详细的流动模拟，但生态动力学的整合（例如湍流对珊瑚生长或鱼类行为的影响）仍然有限。未来的研究可以侧重于将 LES 与生态模型相结合，以了解湍流如何影响人工礁周围的生物多样性和栖息地稳定性。

思考

礁石几何形状的变化（例如高度、间距和形状）如何影响流动动力学？虽然一些研究集中于人工礁石的简单几何模型，但现实世界的礁石设计通常具有更复杂的结构。这种复杂性如何影响周围的湍流和流动模式？

为了最大限度地发挥水动力效益，同时最大限度地减少由于高湍流造成的结构故障，人工鱼礁的最佳几何形状是什么？

参考文献：Large-eddy simulation of the turbulent oscillatory flow around an artificial reef.  doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.120142

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