基于海洋仪器设备的动力环境实验模拟

王项南，路 宽，李 彦，熊 焰，李 超，杨 磊，宋雨泽，朱晓阳

（国家海洋技术中心，天津 300112）

基于海洋仪器设备的动力环境实验模拟

王项南，路 宽，李 彦，熊 焰，李 超，杨 磊，宋雨泽，朱晓阳

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海洋动力环境实验模拟是海洋环境监测技术、海洋能开发技术研究的基础，其目的是为海洋仪器设备的研制与测试提供模拟的实验环境。实验模拟动力环境参数的确定是关键，根据海洋仪器设备（包含海洋监测仪器设备与海洋可再生能源开发利用设备等）的需求以及我国沿海实际风、浪、流的特征，确定了实验模拟的相关参数。

海洋动力环境；实验模拟；海洋监测设备；海洋能开发设备

我国是海洋大国，海洋资源、能源开发潜力巨大。在海洋开发的过程中，海洋环境监测技术、海洋开发技术等高新技术的研发和发展是促进海洋可持续开发利用的关键环节。国家对我国海洋事业和海洋科技的发展给予高度重视，从2003年国务院印发的新中国第一个《全国海洋经济发展规划纲要》开始，到《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》、《国家“十一五”科学技术发展规划》，以及2008年国务院批准的《国家海洋事业发展规划纲要》，再到《全国科技兴海规划纲要（2008—2015年）》都明确指出要大力发展海洋事业和海洋科学技术。目前，我国已初步建立了基本完善的海洋高新技术研究开发体系，并在海洋环境监测技术、仪器设备制造、海洋资源开发技术等方面取得了一系列重大海洋科技成果，为我国海洋产业的发展奠定了一定基础。

海洋动力环境模拟实验是海洋环境监测技术、海洋能开发技术研究的基础。目前，国内涉海或涉水系统的有关部门和单位，都根据自身的行业特点，建有相应的船模水池、水动力模拟水池、流速检定水池等实验设施与实验测试体系，用于舰船制造技术的研究开发、水科学研究、油气平台研究等。但是，国内至今还没有具备适用于海洋仪器设备研究、开发及专门用于海洋科学研究的多功能实验平台及实验测试体系，这直接影响、制约了我国海洋环境监测水平的提高和海洋科学技术的创新与发展。同时，由于我国海洋技术研发和发展水平与发达国家相比明显滞后，海洋环境监测领域虽然自行研制了一些仪器，但大都没有实现产业化，大部分设备还需进口，其重要原因之一是海洋监测技术成果转化的中间环节严重缺位，如缺乏中试实验、示范基地、公共实验平台等，使很多技术成果无法从实验室走向应用，影响了海洋高技术产品的产业化进程。

1 国内外发展现状

1.1 国外实验水池

在动力环境实验研究领域，国外经过了从船模实验研究到海洋工程模型动力环境实验研究的历程。在海洋动力环境实验中，船模实验研究一般只是单要素实验，如涉及浪、流的实验项目时，分别开展，然后进行叠加，忽略了风、浪、流等海洋动力要素之间的相互作用；而海洋工程模型动力环境实验则注重于风、浪、流的同时实验，这样更加接近实际海况。在荷兰、挪威、美国、日本、加拿大等海洋科技发达的国家，海洋深水实验池都是作为发展海洋高新技术的一种必不可少的配置基础研究设施，国外一些重要的实验室设施及主要设备配备见表1。

1.2 国内实验水池

我国目前具有风、浪、流海洋环境动力要素的实验水池，主要是为了船舶和海洋工程技术领域而建造，其共同的特点是建设规模较大、建设与运营成本较高。船模水池一般较长，注重船舶的静水阻力实验，具有拖曳功能；而海洋工程水池，注重浪、流、风耦合作用的影响，水池形状近似为正方形，长度较短。国内主要大型水池情况如表2所示。

1.3 需求分析

随着我国海洋事业的快速发展，对海洋环境监测仪器设备的需求越来越多，对海洋可再生能源的需求也越来越迫切。但由于国内目前缺乏海洋动力环境实验室，大部分仪器设备只能依靠在实际海况中进行检验，加上不同海域实际海况又有区别，使检测工作难度大、成本高，许多仪器设备性能往往检测不全，造成部分监测数据失真或仪器设备投入运行后性能不稳定，已影响到我国海洋环境监测仪器设备与海洋能发电等系统的研究和产品质量的提高。

表1 国外一些重要的实验室设施及主要设备配备

表2 国内主要大型水池情况一览

海洋仪器设备既有和船舶外形相似的走航式如AUV等，也有和海洋石油平台相似的锚泊浮标和固定在海底的海洋能发电系统，所以，海洋仪器设备的实验平台应该综合船模和海洋工程水池的功能，才能够满足实验的需要。海洋动力环境实验平台可以模拟我国不同海域多种海洋动力环境,对海洋仪器设备的各项性能进行实验与测试，在降低检测成本、提高我国海洋仪器设备质量控制能力的同时，也能及时发现仪器设备存在的问题或缺陷，为研发、改进仪器设备的质量、性能提供依据。同时，能够为海洋可再生能源开发利用技术提供动力环境实验平台，开展室内实验与测试，提供能量转换效率测试和评价实验的条件，可加快我国海洋能开发相关技术的研发和产业化，促进我国海洋再生能源开发。

2 海洋动力环境实验模拟参数确定方法

风、波浪与海流是典型的海洋动力环境的影响因子，由风、波浪与海流形成的极端海况，影响了海洋仪器设备的正常工作，甚至造成损坏或毁坏。海洋动力环境实验是采用物理模拟的技术手段，在实验室一定规格的水池内再现风、浪、流等海洋环境。而海洋仪器设备的种类繁多，主尺度和重量差异较大，为了能够更加真实的进行海洋动力环境模拟实验，首先需要研究海洋仪器设备的主要类型和工作方式，然后再根据我国沿海风、波浪与海流的特征确定实验模拟的关键参数。

2.1 海洋仪器设备的主要类型和工作方式

海洋仪器设备（包含海洋环境监测设备与海洋可再生能源开发利用设备等）按其布放、安装与工作方式大体可划分为海底固定、锚系漂浮与走航三种类型，因此主要实验（研究）方向为此三种类型的海洋仪器设备研发、产业化过程中的物理模型实验，主要实验与测试内容见表3。

表3 主要实验（研究）方向

2.2 缩尺比与动力环境参数设计

2.2.1 我国海洋实际风、浪、流情况

（1）风 我国位于亚洲东部，濒临太平洋，是世界上著名的季风国家之一；又是强大的太平洋台风途经的地方。特别是我国东南沿海各省和台湾省，每年都不同程度的受到台风的影响。因此，设计最大风速70 m/s，相当于17级以上风级，作为实际海洋环境指标。

（2）波浪 波向、波高和波周期是描述波浪的主要因素，我国沿海波高的变化规律受季风的影响，南北变化不一。资料显示，冬季在渤海海峡出现过8 m以上的大浪。台湾海峡由于峡管效应大浪很多，高达9.5 m以上，而台湾北部沿岸可达15 m巨浪。夏季受偏南季风影响，粤东、粤西沿岸，最高可达9.8 m，西沙最大波高达10 m。波浪周期的分布规律为，由渤海、黄海至东海，北小南大，而南海沿岸一带周期一般偏小。资料显示，我国最大波浪周期发生在浙闽沿岸，平均周期在5 s以上，最大周期达到19.8 s。根据我国沿海的波浪参数，设计最大波高20 m，波周期35 s，作为实际海洋环境指标。

（3）流 渤海流速一般小于0.77 m/s，北部的老铁山水道流速可达2.5 m/s以上。黄海近岸潮流流速一般为0.5～1.0 m/s。黄海西部的强流区出现在成山头附近，达1.5 m/s以上，吕泗、小洋口及斗龙港以南水域，最大流速可达3.1 m/s以上。东海潮流在浙闽沿岸可达1.5 m/s，长江口、杭州湾、舟山群岛附近为中国沿岸潮流最强区，可高达3.0～3.5 m/s以上，如岱山海域的龟山水道，潮流速度最高达4 m/s。九州西岸的某些海峡、水道中的流速，也可达3.0 m/s左右。南海的潮流较弱，大部分海域不到0.5 m/s。北部湾属强流区，也不过1 m/s左右，琼州海峡潮流最强可达2.5 m/s。世界最大速度超过5 m/s，英国部分河口流速在3.5～4 m/s。根据上述调查，确定设计流速4 m/s，作为实际海洋环境指标。

2.2.2 缩尺比

海洋仪器设备动力环境实验技术指标是依据实际海洋动力环境如风、浪、流的参数提出，按照一定的实验模型缩小比例，确定实验模拟动力环境参数，作为动力环境实验的设计参数。

相似理论是指导模型实验研究以及预报实体动力性能的基本理论。模型和实体两个系统应该满足几何、运动和动力相似，而联系模型和实体两个系统的重要参数就是缩尺比。缩尺比的确定主要是依据水池建设规模、海洋仪器设备实际工作海况、以及仪器设备实物或物理模型尺寸的大小来确定。在缩尺比的设计方面，如果缩尺比较大，会影响物理模型实验的真实性；而过小的缩尺比，当设备尺度较大时，又不能开展相应的实验。由于海洋仪器设备种类繁多、功能各异，其重量和主尺度差别较大，因此需要合适范围的缩尺比。

目前在海洋仪器设备的研究中，国际上通用的物模缩尺比范围为1：1～1：50。由于海洋能发电系统的尺度较大，因此将其作为论证目标。2008年刚刚投入运转的世界上第一座商用海浪发电站“海蛇”在距葡萄牙海岸5 km的海面上完工。研究人员在研究与研制过程中，进行了3次缩尺比的物理模型实验，实验缩尺比分别为：1：50，1：25 和 1：5，在物理模型实验达到预期目标后，进行了海上实型实验，可以看出其在物理模型实验时采用的缩尺比的范围是1：5～1：50，作为比较成功的范例，具有一定的指导意义。由于我国海洋行业尚没有颁布过针对海洋监测仪器设备与海洋能发电系统方面的物理模型实验相关规程、规范和标准。因此，只能参照交通部发布的《波浪模型实验规程》，按照其要求：模型实验时断面物理模型长度比尺1：1～1：80，整体物理模型长度比尺≤150。对于海洋仪器设备物理模型实验，缩尺比取1：50比较适宜。

2.2.3 实验模拟动力环境参数

海洋仪器设备的物理模型与原型应遵循重力相似理论，根据我国海洋实际的风、浪、流情况，再通过缩尺比的计算，得到实验模拟的动力环境参数，结果如表4。

由于需要对海流计进行实验和测试，因此流速的缩尺比取1。由此确定的实验模拟参数即可以满足海洋仪器设备实验与测试的需要，又能够反映实际的海况。

表4 海洋实际与实验模拟动力环境参数设计表

风的实验模拟可由造风系统实现，造风系统一般由变频仪、交流电机、轴流风机组、风速仪、计算机控制、采集系统等组成。波浪的模拟可由造波机实现。流的模拟可由造流系统实现，造流系统通常由水泵、变频电机、流量流速仪、计算机控制与采集系统等组成。3个系统应不仅能单独工作，而且还能同时工作形成风、浪、流混合实验区，用来模拟实际风、浪、流共存的海况。

3 结语

海洋动力环境实验模拟平台的建立可以填补国内海洋动力环境仪器设备室内实验空白，满足国内对海洋仪器设备与模型样机实验与测试工作的实际需求。同时又是海洋高技术成果转化的有力平台，可在科研开发与科研成果的检验、测试、比测、中试和定型等方面发挥巨大的作用，对促进海洋高新科技研发成果的产业化进程起到重要的作用。

[1]MOnorato,L Cavaleri,O Gramstad,et al.Statistical properties of mechanically generated surface gravity waves：a laboratory experiment in a 3D wave basin[J].J Fluid Mech,2009，627：235-257.

[2]Tuliu MP，TWaseda.Laboratoryobservations ofwave group evolution includingbreakingeffects[J].J Fluid Mech,1999，378：197-232.

[3]徐剑.试论海洋工程水池工艺设计的基本原理[J].造船技术，2008（1）：32-35.

[4]王海飞，熊焰，崔林，等.海流能发电系统转换效率测试技术研究[J].海洋技术，2009,28（4）：97-100.

[5]杨志国.国内外水池造波设备及造波技术的发展现状[J].黑龙江科技信息，2003（9）：90.

[6]张瑞波，王收军.伺服电机驱动式水槽造波机系统设计[J].机械设计，2007，24（10）：40-42.

[7]孙东昌，张亭健，等.水槽造流系统水力计算与泵机选择[J].黄渤海海洋，20（2）：125-132.

[8]毛丞弘，杨建民，等.海洋深水实验池造流系统整流装置数值计算与分析[J].水力学研究与进展，2007，22（4）：483-490.

Dynamic Environment Experiment Simulation for Marine Instrument and Equipment

WANG Xiang-nan,LU Kuan,LI Yan,XIONG Yan,LI Chao,YANG Lei,SONG Yu-ze,ZHU Xiao-yang
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Marine dynamic environment experiment simulation is the foundation of marine environment monitoring technology and marine energy development technology research,which could provide simulation experiment environment for research and testing of marine instrument and equipment.Simulation parameter selection is the key point.Aiming at the demand of marine instruments and equipment including marine monitoring instruments and marine renewable energy development and utilization equipments and coastal actual characteristics of wind,wave and current in China,the related parameters of the experiment simulation are confirmed.

marine dynamic environment;experiment simulation;marine monitoring instruments;marine energy development equipment

P716+.21

B

1003-2029（2011）04-0001-05

2011-04-27

海洋公益性行业科研专项经费资助项目（201005027）