近年来, 随着全球对清洁能源需求的日益增长, 海上风电作为一种清洁且可再生的能源形式, 得到了快速发展, 成为迈向绿色能源未来的重要推动力^{[1, 2]}。在国际上, 海上风电技术取得显著进展, 尤其是在欧洲北海沿岸国家如英国、德国、荷兰等地, 这些国家在该领域处于全球领先地位^{[3, 4]}。作为海洋大国, 中国近年来也大幅增加了对海上风电的投资与研究力度, 海上风电已进入规模化和商业化的发展新阶段, 并逐渐向远海和深水区域拓展。然而, 在推动风电技术发展的同时, 如何实现海上风电与海洋生态系统的协调发展仍是一个重要的研究课题^[5]。

传统渔业资源的管理已经无法有效应对海洋生态系统的退化和鱼类资源枯竭的问题^{[6, 7]}。因此, 在加强渔业资源增殖的同时, 保护和恢复海洋生态系统至关重要。人工鱼礁作为一种有效的海洋生态修复手段, 通过为鱼类提供栖息地和繁殖场所, 提升了渔场的生产力并促进生物多样性^[8-11]。经过多年的发展, 中国已逐步形成了以人工鱼礁为基础的现代化海洋牧场建设模式^[12]。

将海上风电与海洋牧场融合建设, 不仅能够有效利用海洋资源, 还能在最大程度上保护和恢复海洋生态系统。海上风电场的单桩基础作为大型水下结构, 为各种海洋物种提供了栖息地, 形成了类似于人工鱼礁的功能。例如, 美国于2020年于弗吉尼亚海岸安装了海上风力涡轮机, 其钢制底座已经成为贻贝、藻类等物种的栖息地。这些物种需要附着在坚硬的表面生长,风电设施正好为其提供了合适的生长环境。将人工鱼礁布置在海上风电设施周围, 能够充分利用现有的基础设施^[10], 创建渔业资源保护区和生物栖息地保护区等, 有助于减少非法捕捞和海洋污染等问题, 推动海洋资源的可持续利用和生态系统的保护^[13]。将“海上风电+海洋牧场”融合模式应用于实际, 不仅能为鱼类提供新的栖息和繁殖场所, 并有助于改善海洋环境质量, 增加生物多样性和渔业资源, 最终实现生态和经济效益的双赢^[12]。然而, 这一融合模式在实际应用中仍面临诸多挑战。例如, 如何在不影响风电设施安全性的前提下设计和布设人工鱼礁, 使其生态效益和经济效益实现最大化。为了最大限度地提高鱼类产量和生态保护效果, 应重点研究人工鱼礁的最佳位置、设计和空间布局^[14]。首先, 人工鱼礁的结构设计和布置需要考虑对周围水动力环境的影响。复杂的镂空结构和空间布局可能改变海域流场形态, 进而影响风电单桩基础的稳定性和结构受力情况。其次, 不同类型和规模的人工鱼礁对海洋生态系统和风电设施的影响存在显著差异, 这需要通过精细化的模型和实验研究进行深入分析。目前, 国内外在此领域的研究尚不足, 特别是在人工鱼礁的设计、结构、规模及空间布局等方面缺乏具体的指导和建议。因此, 优化海上风电场人工鱼礁的布设方案, 以同时兼顾生态保护和风电设施的安全性, 是一个亟待研究的重要问题^[12]。

本研究基于山东省昌邑市三峡300 MW海上风电融合试验示范项目, 探索海上风电与海洋牧场的有效结合, 通过在海上风电设施周围布设人工鱼礁, 实现资源的高效利用和生态效益的最大化。图 1展示了该项目中海上风电建设海域分布, A16、A19和A20分别是3个单桩基础的编号, 项目已在这3个区域分别投放了不同规模、空间布局的人工鱼礁。为了实现海上风电与海洋牧场的有机结合, 本研究采用计算流体动力学和数值模拟技术, 系统分析人工鱼礁对海上风电场桩基周围流场的影响, 旨在为海上风电场人工鱼礁的空间布局优化提供科学依据。研究内容包括3个部分: (1)单体礁与桩基距离的影响: 通过改变单体礁与海上风电风机桩基的距离(G/D: G为礁体与桩基距离, D为桩基直径), 分析单个人工鱼礁对风机桩基周围流场的影响, 以了解鱼礁在不同距离下对局部水动力环境的调节作用; (2)礁体间距对流场的影响: 通过调整两个礁体的横向(P/L: P为礁体横向间距, L为礁宽)与纵向间距(T/L: T为礁体横向间距, L为礁宽), 探讨不同布局方式对风机桩基周围流场的影响, 从而评估礁体间的相互作用及其对水动力环境的整体影响; (3)规模和布局方式的影响评估: 评估现有项目中3种不同规模和布局方式(图 1, A16、A19、A20), 人工鱼礁对海上风电单桩基础周围物理环境的影响, 以确定最优的礁体规模和布局方案。本研究的结果有望为海上风电与海洋牧场的融合模式发展提供科学指导, 并为人工鱼礁的合理规划和布局提供实用建议, 推动海洋资源的可持续利用, 达到生态与经济的双赢。

1 实验设计及流场数值模拟方法 1.1 海上风电单桩基础模型参数

在研究海域内, 每个海上风电机组设立一座直径为6 m的单桩基础管桩作为支撑结构, 从而适应特定的海洋环境和负载需求, 表 1给出了风电单桩的结构参数。海洋牧场区定义为海上风电基础外围向外延伸50 m的海域(图 2), 在该区域内计划部署不同规模的人工鱼礁。单桩基础作为一种标准的海上风电固定方式, 因其结构简单且具有较高的承载能力, 特别适用于水深较浅的区域^{[15, 16]}。本研究中的风电单桩基础主要由钢管桩和桩帽组成, 钢管桩深入海底以稳固风力发电机组, 而桩帽上则用于支撑风力发电机及其相关组件。尽管单桩基础具备许多优点, 其单一的固定机制在强风浪和海流条件下可能无法提供足够的稳定性, 从而限制其抗风浪和海流的能力。因此, 本研究依托海上风电与海洋牧场融合试验示范项目, 通过设计人工鱼礁的布放方案, 利用其复杂的空间结构和布局, 旨在改变单桩周围海域的流场, 从而提升桩基设施的安全性与稳定性。

1.2 人工鱼礁模型

本文研究的人工鱼礁是一种拱顶圆柱型人工鱼礁, 由圆柱体和半球体组合而成。礁体下部为直径3 m、高1.5 m的圆柱体, 上部为直径3 m的半球体(图 3、表 2)。半球体表面开设多个直径40和50 cm的圆孔, 旨在为幼鱼提供自由穿梭的通道, 同时有效阻止大型鱼类对幼鱼的捕食行为。圆柱部分的不对称孔洞设计使得水流经过礁体时, 在其内部及周围形成复杂且不规则的流场环境, 从而增强了水体交换和流动。此设计在礁体后方形成湍流, 加速不同水层水体之间的水体交换, 有助于改善水质。礁体外部的大面积表面为海洋生物提供了良好的附着基质, 促进其生长和繁殖, 进而为鱼类提供天然的饵料, 形成自然的育幼和产卵场。复杂的内部结构和外部环境不仅为鱼类提供了良好的栖息地, 同时也具备养护渔业资源养护的功能。

1.3 人工鱼礁空间布局设计

本研究通过精细化设计和布局人工鱼礁, 研究其对风电单桩基础周围流场分布的影响, 以减轻单桩基础受到的动态载荷。同时, 评估人工鱼礁在改善局部海洋环境、促进海洋生物多样性及缓解海上风电设施环境压力和安全挑战方面的作用。通过对不同投放规模、横向和纵向距离以及空间布局的系统研究, 本研究将揭示不同间距和数量的人工鱼礁对风电单桩基础周围流场效应的具体影响, 为海上风电设施的长期稳定运行提供科学依据和技术支持。图 4展示了单个礁体与风电单桩基础以及两个礁体与风电单桩基础平面示意图。表 3给出了数值模拟实验的设计参数, 对照组是对风电单桩基础周围海域的流场进行数值模拟。实验设计, 如表 3所示。

(1) 实验变量

人工鱼礁数量: 单个礁体与两个礁体。

纵向距离: 礁体与风电单桩基础的纵向距离(G)、两个礁体之间的纵向距离(T);

横向距离: 两个单体礁之间的横向距离(P);

空间布局: 不用位置排列的人工鱼礁、如单侧布局或对称双侧布局。

(2) 实验组别

对照组: 仅风电单桩基础, 无人工鱼礁, 模拟海域流场分布。

实验组1: 单个人工鱼礁布置在风电单桩基础的上游位置观察流场变化(G/D)。

实验组2: 两个人工鱼礁分别布置在风电单桩基础的两侧, 测试不同纵向距离对流场的影响(T/L)。

实验组3: 两个人工鱼礁分别布置在风电单桩基础的两侧, 测试不同横向距离对流场的影响(P/L)。

最后, 本文以山东昌邑海上风电A16、A19、A20桩基周围布放的拱顶圆柱型鱼礁布局作为研究对象, 评估3种人工鱼礁投放规模和布局方式是否对海域流场形态产生影响, 以及其对海上风电设施的安全性和稳定性是否具有保护作用。图 5展示了A16、A19、A20 3个桩基周围人工鱼礁的布设平面图。如图 5和表 4所示: (1)在A16单桩基础周围设置20个站位, 每一站位由4个单体礁组成, 共投放80个单体礁; (2)在A19号单桩基础周围设置19个站位, 其中8个站位各投放1个单体礁、其余11个站位各投放2个单体礁, 共投放31个单体礁; (3)在A20号单桩基础周围设置20个站位, 其中13个站位各投放2个单体礁、7个站位投放3个单体礁, 总共投放47个单体礁。

1.4 数值模拟方法 1.4.1 控制方程

基于CFD构建风电单桩基础和人工鱼礁的流场数值模型, 得到人工鱼礁的控制方程。通过求解Navier-Stokes方程, 得到人工鱼礁流场流速分布。假设流体为不可压缩流体, 三维直角坐标系中, 连续性方程、动量方程表示如下^[17], 连续性方程: 确保流体的质量在流动过程中守恒。

$ \frac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla \cdot(\rho \vec{u})=0 . $

(1)

动量方程: 描述了流体的动量变化, 考虑了流体的黏性、压力和外力。

$ \rho\left(\frac{\partial \mu}{\partial t}+(\vec{u}-\nabla) \vec{u}\right)=-\nabla p+\mu \nabla^2 \vec{u}+\vec{F} . $

(2)

式中, ρ是流体的密度, p是压强, $\vec u$是速度矢量, μ是流体的动力黏度, $\vec F$是体积力。

1.4.2 湍流方程(标准模型)

对于湍流流动, 直接求解Navier-Stokes方程在计算量上巨大, 因此采用湍流模型来近似求解。标准k-ε模型是工程应用中常用的湍流模型, 湍流动能k, 及其消耗散率ε, 由以下输运方程得到:

$ \frac{\partial(\rho k)}{\partial t}+\frac{\partial}{\partial x_i}\left(\rho k u_i\right)=\frac{\partial}{\partial x_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_k}\right) \frac{\partial k}{\partial x_j}\right]+G_k+G_b-\rho \varepsilon, $

(3)

$ \begin{aligned} \frac{\partial(\rho \varepsilon)}{\partial t}+\frac{\partial}{\partial x_i}\left(\rho \varepsilon u_i\right)= & \frac{\partial}{\partial x_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}}\right) \frac{\partial \varepsilon}{\partial x_j}\right] \\ & +C_1 \frac{\varepsilon}{k} G_k-C_2 \rho \frac{\varepsilon^2}{k}, \end{aligned} $

(4)

式中, G_k表示平均流速梯度引起的湍流动能; G_b表示由浮力产生的紊流动能; C₁, C₂是常数, 通常取1.44和1.92; σ_k和σ_ε分别是k和ε的湍流普朗特数, 分别取1.0和1.3。

$ G_k=\mu_t\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right) \frac{\partial u_i}{\partial x_j}, \quad \mu_t=\rho C_\mu \frac{k^2}{\varepsilon}, C_\mu=0.09. $

(5)

1.4.3 计算域

我们设计的计算域包括人工鱼礁和风机桩基, 采用1∶1模型比尺, 基于项目中风电单桩基础和人工鱼礁的实际尺寸及其布局建立计算域。如图 6(a)所示, 单体礁与风机桩基计算域高度为10 m, 入口边界距离人工鱼礁为3D, 两侧墙面距离人工鱼礁为3D, 出口边界距离风机桩基为10D。图 6(b)展示了人工鱼礁与风电单桩基础空间布局计算域, 其长、宽、高分别为25D、20D和10 m, 入口和两侧墙面距离最外侧的人工鱼礁为3D。为了保证模拟的精确性, 在这两种计算域中添加了加密区域, 加密区域的边界距离入口边界、侧墙和出口边界分别为2D、2D、7D。

1.4.4 网格划分

在流体计算中, 网格划分是数值模拟的基础, 合理的网格划分能够提高计算精度和收敛性。本研究采用Fluent meshing工具, 对人工鱼礁、风电单桩基础、流体域进行网格划分。桩基和人工鱼礁附近使用加密网格。Fluent meshing是一种严格的三维网格划分工具, 具有极为高效的体网格生成技术, 其独特的马赛克网格技术通过利用共形多面体元素使其与其他的网格划分方法不同, 允许对复杂的结构进行不可压缩流体流动的网格划分和流体流动分析^[18]。本模拟采用的网格为马赛克网格(Poly-hexcore)。Poly-hexcore网格生成方法是基于“马赛克”技术, 使得六面体网格与多面体网格实现共节点连接, 无交界面, 不需要额外手动网格设定, 从而保证工作完全自动化的状态下, 提升网格中六面体的数量, 以达到提升求解效率与精度的目的。它还能将ANSYS Fluent求解器的速度提高10%~50%, 提供相似的结果, 并消耗更少的机器内存。图 7显示了采用马赛克技术的Poly-hexcore, 其中主体区域由八叉六面体元素填充、边界层由各向同性多棱体填充, 过渡区域由多面体元素填充。

1.4.5 边界条件设置

如图 6所示, 设定的边界条件如下:

(1) 入口边界为速度入口, 参考亚太数据研究中心数据库中混合海洋坐标模型的数据, 该地区近海流速一般在0.32~0.52 m/s。此外, 声学多普勒流速剖面仪测得的海洋数据表明, 真实的海洋流速通常小于1.0 m/s。为了确保实验能模拟出真实环境中可能导致风电单桩基础和人工鱼礁周围冲刷的最不利情况, 从而更好地评估人工鱼礁布局对流场形态和海床稳定性的影响。因此, 将模型的来流速度u₀设定为0.48 m/s, 并给定边界上湍动能k和湍动耗散率ε。通过这种设定, 可以确保实验结果具有现实意义, 并能有效地为工程设计提供参考依据^[19];

(2) 出口边界设置为自由流出条件, 允许流体无反射地离开计算域;

(3) 壁面边界条件: 计算域底面、人工鱼礁和风电单桩基础设为光滑不可滑移壁面边界, 流体在壁面上满足无滑移条件;

(4) 顶面和墙面边界条件: 计算域的顶面和墙面设置为对称边界条件, 假设流体在这些面上没有法向流动。

1.5 流场效应指标

人工鱼礁流场效应是指在礁体投放后改变原有的流场, 形成新的流场模式。礁体阻隔作用会在鱼礁迎流面产生上升流, 并在背流面产生涡流区。本研究通过计算人工鱼礁和风电单桩基础周围流域的上升流和背涡流区域相关参数, 作为评估人工鱼礁流场效应的关键指标。使用CFD-Post计算上升流和背涡流体积, 在20个不同布局的人工鱼礁设计中, 选用Tecplot分析拱顶圆柱型人工鱼礁在中垂面(Z=0, XOY平面)上的上升流面积、背涡流长度和Y方向最高速度进行研究。

数值计算中, 假定坐标原点位于礁体底部中心, 来流方向沿X轴方向, Y轴为竖直方向。选取Z=0中垂面(XOY平面)作为研究的基准面, 将Y方向流速分量与来流速度之比大于或等于10%的区域定义为上升流区域^[20]。为了排除礁体数量不同产生的影响, 采用背涡流区域效率指数I_e, 上升流区域的堆积指数I_us来评估人工鱼礁不同空间布局的流场效应。

上升流区域:

背涡流区域:

这里空间点(x, y, z)的流速为u(x, y, z)=(u_x, u_y, u_z), u₀为初始流速。

$ I_{u s}=\frac{V_{u w}}{V_{A R}}, $

(6)

$ I_e=\frac{V_w}{V_{A R}}, $

(7)

式中, V_w为背涡流体积, V_uw为上升流体积; V_AR为鱼礁有效体积, 即混凝土体积, 非空方体积。

2 数值模拟结果 2.1 网格无关性验证

本研究采用的标准k−ε湍流模型, 在我们之前很多有关人工鱼礁流场效应数值模拟的文献都已验证过该模型的准确性^[20-23], 故本研究直接采用了和之前文献相同的k−ε湍流模型用于求解Navier-Stokes方程。图 8给出单个人工鱼礁周围流场数值模拟的网格独立性验证。横轴表示网格单元数量, 纵轴表示礁体周围的上升流与背涡流体积。网格无关性验证旨在确保随着网格的进一步细化, 数值模拟结果不再显著变化, 从而验证结果的可靠性。从图 8和表 5中可见, 随着网格数量的增加, 上升流体积和背涡流体积均趋于稳定。网格数量大约在130万, 加密区域网格最小尺寸为25 mm时, 数值模拟结果已经达到网格无关性, 此时的网格尺寸和密度对于准确且高效的模拟是适当的。

2.2 单个人工鱼礁及风电单桩基础流场效应 2.2.1 单个人工鱼礁流场效应分析

这一小节我们分别对单个人工鱼礁和单个风电单桩基础的流场分布进行了数值模拟, 考察单体礁后方的尾流长度。由于尾流长度取决于所选择的参考面, 图 9和表 6给出了位于人工鱼礁不同高度水平截面上, 单个人工鱼礁的尾流影响范围。当水平截面位于0.5 m ≤ y ≤ 3.0 m尾流区域流速小于来流速度的70%的范围超过礁体长度的10倍。而当水平截面高度大于1.5 m时, 尾流区域的长度缩短至礁体长度的5倍。因此, 风电单桩基础前方布设人工鱼礁会显著影响桩基周围的流速分布。图 10展示了单个人工鱼礁中轴面(Z=0)上的流速分布, 数值计算得到上升流面积为7.768 8 m², 上升流最大流速为0.473 5 m/s。水流经过礁体时明显减速, 在其后方形成典型的尾流区, 这是流体流过固体时常见的现象。同时在顶部区域发生流动分离, 导致下游产生涡流和湍流。这种现象形成了低流速的回流区域, 有利于海洋生物栖息和营养物质的混合。图 10显示了礁体周围上升流分布, 由于礁体的阻挡作用, 流体发生明显上下偏转, 形成复杂的循环流动模式。可见, CFD数值模拟结果表明人工鱼礁能够显著改变其周围的流场, 在后方形成了有利于海洋生物栖息的低速尾流区^[24]。同时, 垂直方向的流体偏转增强了水体混合, 影响了沉积物的输运和营养物质的分布。

2.2.2 风电单桩基础周围剪切力及尾流效应分析

图 11展示了单个风机单桩周围的剪切力分布。可以看出, 在桩基的迎流面(桩基正前方)和背流面(桩基正后方)存在橙色和红色区域, 表明这些区域的剪切力较高, 最大值接近1.079 Pa。迎流面处较高的剪切力是由于流体直接作用在桩基表面, 导致流动突然减速并形成边界层。背流面处产生的剪切力则是流动分离导致涡流形成, 桩基后方的流体扰动显著增强。因此, 这些区域是结构最容易受到流体侵蚀和疲劳损坏的部位。桩基两侧的剪切力分布相对较均匀, 但在接近桩基表面的局部区域, 剪切力依然较高, 反映出流体在绕过桩基时发生了加速和减速。尾流区域剪切力逐渐减弱, 表现出蓝色和绿色区域, 表明这里剪切力较小。低流速区域的形成对桩基下游的环境和附近结构可能会产生一定影响。

2.3 不同空间距离人工鱼礁流场效应变化 2.3.1 不同礁体间距对上升流面积及速度的影响分析

表 7展示了单个人工鱼礁与风电单桩基础不同间距下的人工鱼礁上升流效应数值结果。这里, G表示人工鱼礁与风电单桩基础的距离, D表示的单桩基础的直径。从表中结果可以分析得到, 以单体礁为对照, 随着人工鱼礁与单桩基础距离逐渐增大, 人工鱼礁迎流面处上升流面积和上升流最大流速发生了显著变化, 上升流面积总体呈现增加的趋势, 尤其是间距G/D从1.0增加到2.0, 上升流面积8.541 1 m²略微增加到9.097 0 m²。从案例2到案例4, 上升流面积趋于稳定。这表明, 在一定距离之后, 人工鱼礁的上升流区域的变化达到了稳定状态, 不会随着距离的增加而发生变化。礁体上升流区域最大上升流速度随人工鱼礁与桩基之间距离的增加而持续增加。说明礁石与桩基之间的相互作用效应随着距离的增加在减弱, 从而使水流能够更加自由地发展。与不存在单桩基础仅有礁体的情况对比, 案例1—4上升流区域面积大于单体礁, 上升流最大流速小于单体礁, 再次说明桩基的存在对礁体的流速分布有显著的影响, 间距增大可能引发的湍流和流体再附着过程的变化对礁体迎流面处上升流的面积和速度产生影响。

表 8展示了人工鱼礁与单桩基础之间不同间距(G/D)对桩基周围最大床面剪切力和桩基前平均流速的影响。图 12进一步显示了不同的G/D比值下, 人工鱼礁与单桩基础周围剪切力分布。从表 8和图 12可以看出, 当人工鱼礁与单桩基础的间距增加时, 桩基周围的最大床面剪切力和桩前平均流速都发生了变化。没有人工鱼礁时, 桩基的最大床面剪切力为1.079 Pa, 桩基前平均流速为0.306 m/s。当两者间距G/D为1.0时, 桩基周围海床剪应力明显增加至1.630 Pa, 桩前平均流速降至0.242 m/s。这是由于礁体尾流干扰影响桩基迎流面的流速分布, 导致桩基周围的流场不稳定, 床面剪切力大幅增加和流速的减少。随着G/D值增大, 桩基海床面最大剪切力逐渐减小, 桩前流速逐步恢复。当G/D值超过4倍桩基直径, 剪切力下降至1.260 Pa, 桩前流速恢复到0.305 m/s, 与仅有单桩基础的流速几乎相同, 表明此时人工鱼礁对桩基周围流场的干扰显著降低, 流体绕桩基的流动变得更加平稳, 尾流区的涡流效应明显降低。这些数据表明, 人工鱼礁与单桩基础之间的距离对桩基周围流场和床面剪切力有重要影响。尤其G/D值在3.0~4.0, 能够有效减少单桩基础周围流场扰动, 同时降低床面剪应力。因此, 合理的人工鱼礁布设距离(G/D=3.0~4.0), 可以减少剪切力的集中分布, 降低桩基所承受的动态载荷。这些结果为人工鱼礁与风机桩基的优化布局提供了参考, 确保了结构安全性和环境的和谐共存。

2.3.2 不同横向间距人工鱼礁与单桩基础流场效应分析

表 9展示了人工鱼礁不同横向间距下, 单桩基础的剪切应力和桩前平均流速的变化。案例5—12分别是在单桩基础的前方安置两个人工鱼礁, 通过改变礁体与桩基的距离及礁体与礁体之间的距离, 观察这些因素对人工鱼礁与海上风电单桩基础周围流场的变化。在无人工鱼礁的情况下, 最大床面剪切应力为1.079 Pa, 桩基前的平均流速为0.306 m/s。当G/D=2.0(案例5)时, 桩基最大床面剪切力有所增加1.320 Pa, 但P/L的增加, 最大床面剪切力呈现逐渐减小的趋势。例如, 当P/L=1.0(案例7)时, 剪切力下降至1.059 Pa, 表明礁体间横向间距对剪切力有显著影响。在流速方面, 不同G/D和P/L组合对桩基前的平均流速有显著影响。当G/D为2.0且P/L为0(案例5)时, 流速为0.151 m/s, 而当G/D为2.0且P/L为1.0(案例7)时, 流速增加到0.378 m/s。这表明人工鱼礁的横向间距不仅影响流场的强度, 还影响流速的分布。G/D为3.0(案例9)时, 桩基前流速进一步降低至0.123 m/s, 表明礁体间较大的横向间距可能有助于降低流速, 降低对桩基的冲击力。图 13展示了在G/D=2.0和3.0时, P/L分别是0和0.5时, 显示出不同横向间距对桩基周围海床面剪切力分布有显著影响。

表 10给出了不同G/D和P/L的组合下, 人工鱼礁周围流场的变化。在2.2.1小节得到单体礁的上升流面积为7.768 8 m², 上升流最大流速为0.473 5 m/s。布设在单桩基础周围的人工鱼礁显著扩大了上升流区域。当G/D为2.0且P/L为0的情况下(案例5), 上升流面积增加至30.36 m², 约为单体礁上升流面积的3.9倍。但随着P/L值的增加, 上升流面积呈现逐渐下降趋势, P/L=1.5时(案例8)下降至18.25 m²。虽然上升流的最大流速相较于单体礁有所下降, 但随着P/L的增加, 从0.387 6 m/s(案例5)逐步上升至0.458 1 m/s (案例12)。这表明增加礁体之间的横向间距有助于提升上升流速, 同时影响上升流区域的扩展。

2.3.3 不同纵向布局人工鱼礁与风电单桩基础流场效应研究

表 11给出了人工鱼礁不同纵向间距下, 单桩基础的最大床面剪切应力和桩前平均流速的变化。数据显示, 随着不同的G/D和T/L改变, 最大床面剪切力在1.221~1.285 Pa之间变化。当人工鱼礁与单桩基础之间的距离G/D=2.0或者3.0时, 随着T/L从0增加到1.5, 床面剪切力略微减小, 随后趋于稳定, 表明人工鱼礁的纵向间距对剪切力的影响有限。然而, 当T/L=1.0时, 桩基前平均流速略有增加, 表明适度的间距有助于水流的稳定性, 而当T/L的进一步增大会降低流速。总体来看, 从G/D=2.0增加到G/D=3.0时, 海床最大剪切力和平均流速都有所减小, 表明增加人工鱼礁与单桩之间的距离可以有效减少对流场和海床剪切力, 减轻对海床的冲击。综合上述分析, G/D和T/L比值对流场和海床剪应力具有重要影响。增加G/D有助于减小相互作用效应, 而适当增加礁体的纵向间距(T/L)则有助于平衡剪切力和流速。G/D=2.0和T/L=1.0的配置(案例19)可以均衡地降低床面剪应力(1.221 Pa)和平均流速(0.269 m/s)。这种配置可以提供足够的间距来减少相互作用效应, 同时保持稳定的流场。图 14展示了当G/D =3.0时, T/L分别取0和1.5时, 桩基和人工鱼礁海床面剪切力分布云图, 进一步验证了不同纵向间距对海床剪切力的影响。

表 12展示了不同G/D和T/L的组合条件下, 人工鱼礁周围上升流区域的变化。对于单礁体(无单桩基础), 上升流面积为7.768 8 m², 上升流最大流速为0.473 5 m/s。当人工鱼礁布设在单桩基础周围时, G/D为2.0或3.0时, 且T/L在0~1.5之间变化时, 鱼礁周围的上升流区域有所增加, 但上升流区域最大流速略有下降。这表明, 纵向间距的调整能够扩大上升流区域, 且随着T/L的增加, 上升流区域最大流速也有所提高。适当增加礁体纵向间距有助于提高流速, 促进垂向混合效果, 对局部水体交换和生态效应产生积极影响。此外, 增加礁体与单桩基础的距离, 例如在G/D=3.0时, 对流速提升效果更为明显。相比之下, P/L比值对上升流区域的影响更为显著。从表 10中分析得到, 改变P/L比值对上升流区域的影响更为显著, 例如在案例5中, 上升流区域面积约为单体礁上升流面积的3.9倍, 而T/L对上升流区域面积和流速的影响较为有限。这说明纵向排列的情况, 第二礁体明显受到第一个礁体尾流区域的影响, 其前方流速小于来流速度的70%。因此, 随着T/L的增加, 这种尾流效应有所减弱, 促使上升流区域面积增加。而在横向排列的情况下, P/L的增加减弱两个礁体的叠加效应, 导致上升流区域面积呈现下降趋势。

2.4 不同空间布局下人工鱼礁流场效应评估 2.4.1 不同空间布局的上升流堆积指数I_us与背涡流转化指数I_e

本小节对三峡风电场中已有的3种人工鱼礁布局(A16、A19、A20)进行流场分析。为了排除礁体规模数量的影响, 研究采用上升流区域堆积指数I_us和背涡流区域转化指数I_e作为评估人工鱼礁布局的流场效应评估指标, 并通过单桩基础的床面剪切力评估不同人工鱼礁规模和布局对单桩基础的影响。表 13展示了数值模拟计算得到A16、A19和A20桩。基周围不同人工鱼礁空间布局的I_us, I_e。图 15和图 16分别给出了风机桩基A16、A19、A20周围布设不同规格人工鱼礁与风机桩基周围的上升流区域与背涡流区域分布图。

在A16桩基周围(图 15a, 图 16a), 人工鱼礁以更加均匀的模式进行排列且规模最大, 与桩基的距离较近。从表 13可以看出, 上升流区域指数I_us最低, 表明对上升流的影响适中。在3种配置中, 尾流区域指数I_e最高, 显示出密集排列的礁石显著增强了背涡流的强度, 可能对桩基周围的水动力产生较强的扰动。这种布局适合希望通过强化尾流效应来促进局部水体混合的应用场景, 但需要平衡可能增加的水动力负荷。在A19桩基周围(图 15b, 图 16b), 礁石排列更加分散, 单桩与礁石之间存在明显的间隙, 减少了对单桩周围水流的直接干扰。I_us(8.974 0)是3个区域中最高的, 表明这种布置对上升流效应的影响最为显著。而I_e(4.892 8)适中, 表明对尾流形成的影响是均衡的。在A20单桩基础周围(图 15c, 图 16c), 礁石排列间距适中, 部分礁石群较为靠近。I_us(8.803 3)略低于A19, 但仍然显示出较强的上升流效应, 而I_e(4.558 2)最低, 尾流效应最弱。这种布局在流场增强与结构稳定性之间提供了较好的平衡, 适合追求生态效益和工程稳定性的应用场景。

综合分析3种空间布局, A19的配置在增强上升流效应的同时, 维持了适度的尾流影响, 整体效果较为平衡。A16布局在尾流效应上表现最强, 这在某些生态场景下可能是有利的, 但也需谨慎评估其对水动力的影响。A20布局则在上升流和尾流效应之间找到了较好的平衡, 适合需要兼顾流动增强与结构安全性的环境。

2.4.2 不同空间布局的床面剪切力分析

如图 17所示, A16、A19、A20桩基周围3种布局的最大床面剪切力分别为1.480、1.129、1.339 Pa, A19布局的床面剪切力最小。同时3种布局的桩基前平均流速分别为0.317、0.296、0.284 m/s。

通过这些数据可以看出, 在风电场中投放人工鱼礁能够有效减小水流对单桩基础的冲击力, 保护单桩基础的稳定性。具体分析如下:

(1) A16布局种, 床面剪切力分布不均, 特别是人工鱼礁附近的剪切力较高, 表明水流在礁体周围产生了强烈的扰动。这是由于礁石密集排列导致水流扰动大幅增加, 导致局部床面剪切力显著上升(1.480 Pa)。尽管这有助于水体的混合, 但也可能导致增加结构阻力, 影响桩基的长期稳定性; (2)A19布局中的人工鱼礁排列较为分散, 床面剪切力水平普遍较低且分布更加均匀(1.129 Pa), 是3种布局中最优的。这种布局减少了对水流的直接干扰, 水流在礁石后方形成了较为平缓的尾流区域, 剪切力减小, 表明水流过度更加通畅。这种布局既能够有效耗散能量, 同时避免显著增加水动力的干扰, 是一种较为理想的人工鱼礁布局; (3)A20布局中显示出与A19类似的剪切力分布, 但应力水平略有增加, 礁石后面的尾流区域更加明显。水流与人工鱼礁的相互作用介于A16和A19之间, 形成适度的剪应力和湍流。该布局在增强流动效应的同时, 保持了相对较低的水动力干扰, 是流场增强与结构稳定性之间的折中方案。

3 讨论

基于本文的研究结果, 表明不同人工鱼礁规模和空间布局对海上风电场海域的流场特征及其在单桩基础的相互作用有显著影响。

3.1 人工鱼礁布局参数对单桩基础周围流场调控的影响分析

人工鱼礁布设间距对流场的调控至关重要。ROSEMOND等^[25]研究表明, 礁体间的缓冲区能减少对邻近礁体的吸引效应, 增加软底栖息地食物资源可用性, 促进鱼类繁殖和觅食等行为的开展。LIU等^[26]指出, 人工鱼礁的布局显著影响其周围的流场特性, 进而影响鱼类的聚集效应。人工鱼礁通过改变局部流场, 形成鱼类适宜的栖息环境, 逐渐发展成为人工生态系统。因此, 优化人工鱼礁的布设策略对于提升生态效益和保护渔业资源至关重要。本文分析了不同的布局参数, 包括鱼礁与单桩基础距离与桩基直径比值(G/D)、两个鱼礁横向距离与礁长的比值(P/L)、两个鱼礁纵向距离与礁长的比值(T/L), 并通过CFD模拟研究了其对海上风电场中单桩基础和人工鱼礁周围流场模式的影响, 具有重要的意义。本文首先围绕单体礁开展数值模拟, 结果显示单体礁对下游流场的影响范围约为礁体的长度的10倍, 这与LIU等^[26]的研究结果一致。图 11和图 12展示了仅有单桩基础与布设了人工鱼礁的单桩基础周围的剪切力分布。当人工鱼礁布设在桩基前方, 特别是G/D=1.0时, 流场的干扰显著增加, 导致桩基迎流面和背流面的剪切力大幅提升, 增加了床面侵蚀风险。随着G/D值增加到3.0或4.0, 桩基周围的剪切力逐渐减弱, 接近无鱼礁状态, 流场干扰减弱, 从而减少了对桩基结构和床面的负面影响。这对于促进水体交换和改善海洋生态环境具有积极作用。

表 9数据表明, 人工鱼礁平行布置在单桩基础的上游时, 随着P/L比值的增加, 海床面上最大剪切力逐步下降, 特别是在案例7、案例10和案例12中, 桩基周围海床剪切力减小。YANG等^[27]的模拟结果进一步验证了这种布局的有效性, 显示人工鱼礁在单桩基础周围的平行布置能够显著减少最大冲刷深度和冲刷量。表 10的数据也显示, 横向间距较小的密集布局会限制上升流的强度, 影响营养盐的输送和水体的混合。相比之下, 垂直布局在增加低速区域和延长影响范围方面更为有效, 是防冲刷的有益手段。

综上, 人工鱼礁的合理布局不仅可以优化流场特性, 还增强单桩基础的稳定性。在实际应用中, 应根据具体的环境条件和工程需求调整布局参数, 以实现海上风电场和海洋牧场的协同开发, 推动海洋资源的可持续利用和生态保护。

3.2 布局对结构与生态效应的影响

根据YOON等^[28]和KIM等^[29]的研究, 背涡流体积为评估人工鱼礁尾流区域提供一种重要手段, 能够有效评估人工鱼礁设计和布局对流场效应和生态的影响。KIM等^[29]利用有限体积法, 通过CFD数值模拟计算了不同人工鱼礁平面布局下的尾流体积, 提出了效率指数和单元传播指数作为量化人工鱼礁平面布局的流场效应。这些指标为优化人工鱼礁设计提供了科学依据。本文基于有限体积法, 通过CFD数值模拟计算了3种不同布局下的人工鱼礁群的上升流体积与背涡流体积, 作为评价其流场效应的指标。数值模拟结果显示, 不同布局对流场特性有显著影响。A19布局不仅增强了上升流, 同时实现了剪切力的均匀分布, 背涡流适中, 是一种适合多种环境需求的通用布局。这种布局在平衡能源效率与结构稳定性方面具有优势, 特别适合与单桩基础协同的海洋工程项目。A20布局在增强上升流的同时, 对背涡流的控制更为显著, 适合结构稳定性要求较高的场景。这种布局减少剪切力不均匀性, 降低了对结构受力的不均匀性, 减少了长期的维护和运营风险, 是一种增强安全性和延长结构寿命的优选布局。相较之下, A16布局虽然在增强湍流和混合效果上有突出表现, 但由于剪切力分布不均且背涡流强度较大, 可能会增加结构受力的复杂性, 进而影响桩基的长期稳定性。这种布局的涡流效应能够提高局部水体混合, 但在应用时需要采取适当的应力缓解措施, 或仅用于对结构稳定性要求较低的场景, 以避免对工程的潜在风险。

综上, 通过评估3种不同人工鱼礁空间布局的上升流体积和背涡流体积, 为人工鱼礁在海洋工程中的应用提供了新的思路。合理的人工鱼礁布局不仅可以优化流场特性, 还能够显著影响生态效益和结构安全性。KIM等^[29]的研究强调了背涡流体积尾流区域在海洋生物栖息地的形成中的关键作用, 未来在设计人工鱼礁时应充分考虑这些因素。通过进一步优化人工鱼礁的几何设计、布局方式以及材料特性, 可在复杂的海洋环境中实现更优的流场调控和生态效应。考虑到单桩基础和人工鱼礁的协同效应, 未来的研究进一步开发更精细的数值模型, 捕捉两者之间的流场相互作用。并制定标准化的布局设计指南, 以提升人工鱼礁在海上风电和海洋牧场的融合发展中的综合性能。

3.3 应用建议

在实际工程设计中, 需根据具体的项目目标和环境条件选择合适的布局及其参数组合。本文的研究表明, 不同布局在流场特性和结构稳定性方面各有优势。为了实现项目的特定目标, 建议在布局选择时注重目标导向优化相关设计参数, 以实现最佳的生态和工程效益。以下是针对不同目标的布局选择建议。

3.3.1 选择目标导向的布局

对于以增强水体交换和提高生态效应为主要目标的项目, A19桩基周围的人工鱼礁空间布局是首选。该布局能够有效增加上升流, 促进水体的垂直混合和营养物质的输送, 同时保持较低的剪切力和适中的背涡流。这使得该布局在提升整体效率的同时, 有效保护了单桩基础和人工鱼礁的结构安全性, 适用于需要兼顾生态效益与工程安全的海上风电项目。

3.3.2 降低结构风险

当项目对结构的受力和稳定性要求更高时, A20桩基周围的人工鱼礁空间布局是更为理想的选择。该布局在增强上升流的同时, 显著控制了背涡流的影响, 有效减小了剪切力的不均匀分布, 减少对结构的冲击。这种布局特别适用于需要长期保持结构稳定性的海洋工程项目, 能够降低维护和运营风险, 并延长结构使用寿命。

3.3.3 高效混合与增强涡流

A16桩基周围的人工鱼礁布局适合于需要增强流场混合和涡流效应的特殊场景, 如对水体混合和营养物质分散有高需求的环境。尽管该布局能够显著增加湍流和流场混合效果, 但其较高的剪切力分布可能会增加结构应力, 从而对桩基的稳定性产生不利影响。因此, 在采用该布局时, 建议在结构设计和布局中采取应力缓解措施, 如增加结构强度或采用应力分散设计, 以降低潜在的结构风险。

综上, 不同的人工鱼礁布局和几何参数组合在流场特征调控上展现出多样化的效果。通过结合项目的实际需求, 进行针对性的布局优化, 可以有效提升人工鱼礁与单桩基础的协同效应, 为海洋工程和生态修复提供科学和实用的设计参考。这些研究成果不仅能够指导实际工程中的布局设计, 还能为未来的海洋牧场和风电场的融合发展提供重要支持, 为海洋资源的可持续利用和生态系统的保护贡献力量。

4 结论

本研究分析了单体礁、风电单桩基础, 以及人工鱼礁在不同G/D、P/L、T/L配置下的流场特征, 以及3种不同人工鱼礁空间布局与单桩基础的相互作用对海域流场特征的影响。通过系统的数值模拟与实验分析, 得出以下主要结论:

(1) 单体礁与单桩基础的流场特征

单体礁与单桩基础的组合显著影响了周围流场特征, 特别是对上升流的增强和背涡流区域的分布有明显作用。单桩基础附近的流场受单体礁的干扰表现为局部剪切力的增大和背涡流的增强, 导致结构表面的压力分布不均匀。

(2) 不同的礁体间距(G/D、P/L、T/L)下人工鱼礁与单桩基础的流场特征

增加G/D和P/L可增强上升流效果, 同时减少剪切力的不均匀分布。T/L较大时, 剪切力分布趋于均匀, 但可能导致局部背涡流增强, 对结构稳定性产生影响。不同间距下的人工鱼礁能够有效调节流场特征, 为单桩基础周围的水动力环境优化提供了多种可能性。

(3) 3种不同人工鱼礁布局下与单桩基础的相互作用及流场特征

表 14综合评价了A16、A19和A20 3个单桩基础周围布设不同空间布局的人工鱼礁, 对单桩基础周围的流场特征和海床面剪切力的影响。从表中对比可以看出, A16的剪切力变化最大, 表明水流与人工鱼礁之间的相互作用很强, 这可能有利于产生湍流混合, 但也可能导致阻力增大, 适合高湍流混合需求的场景。A19的剪切力分布最均匀且较低, 表明水流动态更平稳, 阻力更小, 是增强生态效应和结构稳定性的优选布局。A20代表了剪切力和尾流形成平衡的中间方案, 可在流动增强和阻力最小化之间进行良好权衡, 适用于对结构稳定性和生态效应均有要求的场合。这些观察结果表明, 在选择人工鱼礁布局时应考虑项目的具体目标, 如最大限度地增加湍流以实现生态效益, 或最大限度地减少阻力以实现结构稳定性和能源效率。上述分析对指导海上风电场的设计和优化具有重要意义, 尤其是在考虑人工鱼礁与单桩基础相互作用时, 这些数据能够提供关键的参考依据。具体选择仍需结合实际项目需求、环境条件和经济考虑进行综合决策。