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摘 要：人工鱼礁在海洋环境中有着重大意义。海水在礁体表面会产生上升流和背涡流。上升流能促进上下层海水营养物质交换，背涡流能在礁体后部产生旋涡，为海洋生物提供休憩和躲避强敌的环境。实验通过改变水流速度的大小探究来流速度对人工鱼礁二维流场的影响。实验利用了PIV粒子图像测速技术对相对大小的水流速度在礁体周围所产生的二维流场及变化进行速度矢量分析，从而得出水流速度与礁体周围上升流、背涡流的规模的定性关系。经过对实验数据的分析，得出“小水流速度可产生倾斜角较大的上升流，利于海水上下层物质交换；大水流速度可产生大规模的背涡流，利于海洋生物休憩和躲避强敌。”的结论，对人工鱼礁的投放海域选择有一定的帮助。
关键词：人工鱼礁 PIV粒子图像测速技术 上升流 背涡流
一、 绪论
1.1研究背景及意义
鱼礁是鱼类的主要栖息地，对海洋环境有着重要意义。随着海洋环境的恶化，人类开始投放人工鱼礁，其目的是保护、增殖、提高渔获量。[1]
人工鱼礁主要意义在于人工鱼礁能够改变海水的流速和走向，使鱼礁周围产生上升流和背涡流。上升流能够将下层营养物质带到上层，促进上下层海水交换。背涡流能够产生旋涡使海洋生物躲避强流和天敌的袭击。上升流和背涡流越强大，对于海洋生物越有利，人工鱼礁所发挥的效益越大。如何使流体效应加大是我们研究人工鱼礁的主要课题之一。
不同类型的鱼礁投放的海域不同，不同的海域中水的流速不同，水的流速不同，对于人工鱼礁流场分布有不同的影响。因此，研究水流速度对人工鱼礁流场的影响可以对人工鱼礁投放选址起到一定帮助。
1.2研究方法及优劣势
至今，世界各国采取的对人工鱼礁研究方式主要有三种[2]：1、现场调查分析2、数值模拟仿真计算[3]3、通过水槽或风洞试验，运用PIV 粒子图像测速技术对人工鱼礁周围流场分布进行分析。第三种方法能够模拟真实物理现象并对试验数据进行精确捕捉。
1.3论文的研究内容
通过改变水槽中来流速度，利用PIV粒子图像测速系统得到鱼礁周围流场分布及改变，得到上升流和背涡流大致规模以及水流速度对其的影响，希望得到水流速度与上升流和背涡流规模的定性关系，从而对人工鱼礁投入海域的选择有一定的帮助。利用计算机技术进行分析，具有较大的研究空间。
二、实验原理与实验过程
2.1 实验仪器与原理
2.1.1实验仪器
本试验采用的人工鱼礁模型为中空圆柱体模型，约高10cm，圆柱底面直径约10cm，柱体周围有6个直径为2.5cm的圆孔，上下各开一直径为4cm的圆孔。上、下表面分别放置一、两个沙轮。如下图所示：
PIV粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry）由脉冲激光器、会聚透镜、准直透镜、柱透镜、水槽（示踪粒子）、CCD高速摄像机、工作端等构成。本实验将直径为5um的空心玻璃小球作为示踪粒子。
（来源：百度图片）
2.1.2 PIV技术的优点
1.测量仪器与被测物体无接触。
2.PIV粒子图像测速技术可以测量瞬间某一时刻的整个流场的相关物理量。
3.PIV粒子图像测速技术精确性高。
2.2实验过程
1.激光器照明
打开脉冲激光发射器，调节稳定电压。将准直透镜、会聚透镜、柱透镜按序摆放，在水槽内形成片光。
2.撒布示踪粒子
将示踪粒子置于小烧杯中进行超声振动，用胶头滴管将其撒布在水槽中，浓度保证在电脑上32*32像素中每个判读区有10个示踪粒子。
3.连续多次曝光
本实验采用曝光率为每秒钟207-208帧的CCD高速摄像机进行拍摄，一次实验拍摄约1500张照片。实验开始时，按下“记录”的同时用玻璃板将水从中上部以不同速率拨动约5秒，连续多次曝光完毕。人工鱼礁模拟实验要做四次，可分为以小速度、大速度（相对于小速度）拨动水流两部分。同一水流速度实验分两次做，一次将拍摄到的一面作为迎流面，一次作为背流面。下图即为CCD拍摄的人工鱼礁模型和示蹤粒子：
4.合成PIV底片和图像处理
将连续多次曝光的照片导入tecplot2010版，进行合成，获得了PIV底片。
5.数据分析
将四组数据进行对比。将两组不同水流速度下迎流面的流场图进行对比，比较上升流的规模和上升幅度。将两组不同水流速度下背流面的流场图进行对比，比较背涡流的规模。
三、数据结果与分析讨论
小速度水流背流面
大速度水流背流面
对比两组背涡流流场实验数据：水流速度越大，产生的背涡流旋涡越大，并且停留时间越长，流场中各点速度也越大，并且速度增大或减小的幅度越大。但是，水流速度小时，倾斜上升流的倾斜角度更大，接近垂直；水流速度大时，倾斜上升流的倾斜角度很小。
小速度水流迎流面
大速度水流迎流面
对比小速度水流冲击和大速度水流冲击实验数据：小速度水流冲击时，鱼礁周围所产生的上升流和背涡流倾斜角度更大，幅度更大，背涡流较小，各点速度较小；大速度水流冲击时，鱼礁周围所产生的上升流和背涡流较为平缓，背涡流更大，各点速度较大。
四、结论与展望
4.1结论
探究水流速度对人工鱼礁模型二维流场的影响，改变水流速度的大小，得到如下结论：小水流速度冲击鱼礁时，产生的上升流上升幅度大，产生的背涡流数量多，规模小，流场中各点的速度基本小于大水流速度冲击鱼礁时各点速度。同样地，大水流速度冲击鱼礁时，产生上升流上升较为平缓，产生背涡流规模庞大，时间长，流场中各点速度基本大于小水流速度冲击鱼礁时各点速度。
因此，小水流速度可产生倾斜角较大的上升流，利于海水上下层物质交换；大水流速度可产生大规模的背涡流，利于海洋生物休憩和躲避强敌。
4.2展望
由于实验器材的限制，本实验只有一个人工鱼礁模型，无法改变摆放高度、迎流面积、迎流面形状、开口比[4]等因素，只能定性研究水流速度对上升流、背涡流规模的影响，其他因素不能考虑，希望接下来能有机会研究多种因素对人工鱼礁流场效应的影响。
参考文献：
[1]司英杰.人工鱼礁的法制规律[D].青岛：中国海洋大学.
[2]付东伟.人工鱼礁流场效应的PIV试验研究[D].大连：大连海洋大学.
[3]Fujihara.M .Kakeuchi.T.G，Ohashi Physical-biological coupled modeling for artificially generated upwelling [ J ].农业土木学会论文集.1997，189：69～79.
[4]影山方郎，大阪英雄，山田英巳，等.水槽實驗とょる多孔立方体魚礁こひね周りの可化[J].水產土木，1982，17（1）：1～10.
关键词：人工鱼礁 PIV粒子图像测速技术 上升流 背涡流
一、 绪论
1.1研究背景及意义
鱼礁是鱼类的主要栖息地，对海洋环境有着重要意义。随着海洋环境的恶化，人类开始投放人工鱼礁，其目的是保护、增殖、提高渔获量。[1]
人工鱼礁主要意义在于人工鱼礁能够改变海水的流速和走向，使鱼礁周围产生上升流和背涡流。上升流能够将下层营养物质带到上层，促进上下层海水交换。背涡流能够产生旋涡使海洋生物躲避强流和天敌的袭击。上升流和背涡流越强大，对于海洋生物越有利，人工鱼礁所发挥的效益越大。如何使流体效应加大是我们研究人工鱼礁的主要课题之一。
不同类型的鱼礁投放的海域不同，不同的海域中水的流速不同，水的流速不同，对于人工鱼礁流场分布有不同的影响。因此，研究水流速度对人工鱼礁流场的影响可以对人工鱼礁投放选址起到一定帮助。
1.2研究方法及优劣势
至今，世界各国采取的对人工鱼礁研究方式主要有三种[2]：1、现场调查分析2、数值模拟仿真计算[3]3、通过水槽或风洞试验，运用PIV 粒子图像测速技术对人工鱼礁周围流场分布进行分析。第三种方法能够模拟真实物理现象并对试验数据进行精确捕捉。
1.3论文的研究内容
通过改变水槽中来流速度，利用PIV粒子图像测速系统得到鱼礁周围流场分布及改变，得到上升流和背涡流大致规模以及水流速度对其的影响，希望得到水流速度与上升流和背涡流规模的定性关系，从而对人工鱼礁投入海域的选择有一定的帮助。利用计算机技术进行分析，具有较大的研究空间。
二、实验原理与实验过程
2.1 实验仪器与原理
2.1.1实验仪器
本试验采用的人工鱼礁模型为中空圆柱体模型，约高10cm，圆柱底面直径约10cm，柱体周围有6个直径为2.5cm的圆孔，上下各开一直径为4cm的圆孔。上、下表面分别放置一、两个沙轮。如下图所示：
PIV粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry）由脉冲激光器、会聚透镜、准直透镜、柱透镜、水槽（示踪粒子）、CCD高速摄像机、工作端等构成。本实验将直径为5um的空心玻璃小球作为示踪粒子。
（来源：百度图片）
2.1.2 PIV技术的优点
1.测量仪器与被测物体无接触。
2.PIV粒子图像测速技术可以测量瞬间某一时刻的整个流场的相关物理量。
3.PIV粒子图像测速技术精确性高。
2.2实验过程
1.激光器照明
打开脉冲激光发射器，调节稳定电压。将准直透镜、会聚透镜、柱透镜按序摆放，在水槽内形成片光。
2.撒布示踪粒子
将示踪粒子置于小烧杯中进行超声振动，用胶头滴管将其撒布在水槽中，浓度保证在电脑上32*32像素中每个判读区有10个示踪粒子。
3.连续多次曝光
本实验采用曝光率为每秒钟207-208帧的CCD高速摄像机进行拍摄，一次实验拍摄约1500张照片。实验开始时，按下“记录”的同时用玻璃板将水从中上部以不同速率拨动约5秒，连续多次曝光完毕。人工鱼礁模拟实验要做四次，可分为以小速度、大速度（相对于小速度）拨动水流两部分。同一水流速度实验分两次做，一次将拍摄到的一面作为迎流面，一次作为背流面。下图即为CCD拍摄的人工鱼礁模型和示蹤粒子：
4.合成PIV底片和图像处理
将连续多次曝光的照片导入tecplot2010版，进行合成，获得了PIV底片。
5.数据分析
将四组数据进行对比。将两组不同水流速度下迎流面的流场图进行对比，比较上升流的规模和上升幅度。将两组不同水流速度下背流面的流场图进行对比，比较背涡流的规模。
三、数据结果与分析讨论
小速度水流背流面
大速度水流背流面
对比两组背涡流流场实验数据：水流速度越大，产生的背涡流旋涡越大，并且停留时间越长，流场中各点速度也越大，并且速度增大或减小的幅度越大。但是，水流速度小时，倾斜上升流的倾斜角度更大，接近垂直；水流速度大时，倾斜上升流的倾斜角度很小。
小速度水流迎流面
大速度水流迎流面
对比小速度水流冲击和大速度水流冲击实验数据：小速度水流冲击时，鱼礁周围所产生的上升流和背涡流倾斜角度更大，幅度更大，背涡流较小，各点速度较小；大速度水流冲击时，鱼礁周围所产生的上升流和背涡流较为平缓，背涡流更大，各点速度较大。
四、结论与展望
4.1结论
探究水流速度对人工鱼礁模型二维流场的影响，改变水流速度的大小，得到如下结论：小水流速度冲击鱼礁时，产生的上升流上升幅度大，产生的背涡流数量多，规模小，流场中各点的速度基本小于大水流速度冲击鱼礁时各点速度。同样地，大水流速度冲击鱼礁时，产生上升流上升较为平缓，产生背涡流规模庞大，时间长，流场中各点速度基本大于小水流速度冲击鱼礁时各点速度。
因此，小水流速度可产生倾斜角较大的上升流，利于海水上下层物质交换；大水流速度可产生大规模的背涡流，利于海洋生物休憩和躲避强敌。
4.2展望
由于实验器材的限制，本实验只有一个人工鱼礁模型，无法改变摆放高度、迎流面积、迎流面形状、开口比[4]等因素，只能定性研究水流速度对上升流、背涡流规模的影响，其他因素不能考虑，希望接下来能有机会研究多种因素对人工鱼礁流场效应的影响。
参考文献：
[1]司英杰.人工鱼礁的法制规律[D].青岛：中国海洋大学.
[2]付东伟.人工鱼礁流场效应的PIV试验研究[D].大连：大连海洋大学.
[3]Fujihara.M .Kakeuchi.T.G，Ohashi Physical-biological coupled modeling for artificially generated upwelling [ J ].农业土木学会论文集.1997，189：69～79.
[4]影山方郎，大阪英雄，山田英巳，等.水槽實驗とょる多孔立方体魚礁こひね周りの可化[J].水產土木，1982，17（1）：1～10.