由于人类过度捕捞、沿海海域环境污染加剧,我国近海渔业资源衰退严重,海洋牧场建设得到重视。海洋牧场是一种新型的符合我国渔业产业需求的可持续的海洋渔业增殖方式,对渔业资源的增殖和保护发挥了重要的作用。人工鱼礁做为海洋牧场建设的基础构造物,对其水动力特性的研究极其重要。人工鱼礁水动力学特性主要研究其流场效应和稳定性。人工鱼礁的流场效应是实现其增殖和聚集原理的基础,人工鱼礁投放到海底后,形成上升流和背涡流,促进了上下水层中的营养物质循环。人工鱼礁单体的结构形状对其流场效应有很大影响,研究不同结构的鱼礁流场效应,对人工鱼礁的礁型优化设计和配置由重要意义。本文使用Fluent、湍流计算采用大涡模拟(large eddy simulation,LES),分别对双层十字翼型人工鱼礁四种子礁和双层十字翼型人工鱼礁衍生的八棱柱型人工鱼礁三种子礁在不同的迎流角度情况下的流场效应进行了数值模拟,通过对其流场数据的分析,采用比混凝土体积法,得到上升流和背涡流相对体积、上升流和背涡流平均流速等特性参数,得到两种礁型的最优礁体构造,并对这两种礁型进行对比分析,研究最优的礁型设计。结果表明:(1)顶板结构对十字翼型人工鱼礁的流态效应并无增益,加顶板的AB型子礁的上升流和背涡流体积和相对体积均小于无顶板的AA型礁体利用率降低,经济性变差;(2)侧板结构对十字翼型人工鱼礁的流态效益有显著增益。随侧板的增加,上升流相对体积明显变大,背涡流相对体积也逐渐增大,背涡流平均流速逐渐降低,总之,增加侧板能够形成更好的流场效应,十字翼型鱼礁设计时应考虑增加侧板结构;(3)迎流角度的改变,对双层十字翼型四种礁体的上升流和背涡流体积的影响无显著差异,AD型礁体对自然海域的潮流流向有很好的适应性;(4)双层十字翼型人工鱼礁的四种子礁中,AD型礁体的上升流和背涡流效应最好,其上升流和背涡流体积、上升流和背涡流相对体积、向上水体输运也最大,背涡流平均流速最小,上升流和背涡流效应最佳,是目前双层十字翼型鱼礁的最佳结构设计;(5)本文提出的人工鱼礁向上水体输送通量指标,结合现场海域表底层水体的营养盐浓度差值,可有效定量测算人工鱼礁向上层水体输运营养盐的通量;(6)顶板结构对双层八棱柱型人工鱼礁的流场效益影响不大。有顶板的BB型礁体较BA型礁的上升流相对体积和背涡流相对体积低,对背涡流流速也没有降低,增加顶板,礁体利用率变差,增大了混凝土用量,考虑到经济效益,加顶板的礁体较无顶板礁体效益低;(7)侧板结构对增大双层八棱柱型人工鱼礁的流场效应有积极的作用。增加侧板后,上升流体积和相对体积均明显增大,能形成最好的上升流效益,背涡流体积和相对体积较也增大,且其背涡流流速降低,背涡流效应较好,增加侧板结构对提高双层八棱柱型人工鱼礁的流场效应有作用;(8)双层八棱柱型人工鱼礁较双层十字翼型人工鱼礁的流态效益好,BC型礁体的上升流相对体积和背涡流相对体积均较AC型大,BD型礁体的上升流相对体积和背涡流相对体积均较AD型礁体大,且双层八棱柱型礁体的空方体积大,混凝土体积小,从经济性和流态效益综合考虑,双层八棱柱型人工鱼礁能形成更好的效益;(9)AD型、CD型和BD型礁体上升流体积和相对体积相差不多,CD型上升流高度最高,BD型向上输运能力最大,背涡流体积和相对体积最好,背涡流效益最好。在相同的经济基础上,如需要得到更大的上升流效应,可以选择CD型礁体,要得到强的向上水体输运能力和背涡流效应,可以选择BC型礁体。总之,十字翼型系列人工鱼礁设计时应考虑增加侧板结构,礁体框架可使用双层八棱柱型鱼礁。