船舶与海洋工程试验水池工艺设计

唐 勇，徐 剑，茅宝章

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063;2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200063)

0 引言

船舶与海洋工程水动力学是船舶力学的重要分支，是一门研究水面舰船、海洋工程平台、水下运载器与周围水流介质相互作用的交叉科学技术，技术难度高，其基本研究平台为试验水池。试验水池主要分为拖曳水池、耐波性操纵性水池、海洋工程水池三大类，通过试验水池掌握流体流动的基本物理学问题，完善计算流体力学技术，为我国船舶科技的创新发展提供基础研究依据。包括欧美、日韩在内的世界先进造船国家都不遗余力的依托试验水池，开展船舶与海洋工程水动力学研究，发展和创新船型技术，以持久保证并增强其核心竞争能力。鉴于此，作为基础研究平台的试验水池，其工程设计的好坏直接影响船舶与海洋工程水动力学研究水平的优劣。

1 工艺设计原则

1)遵守国家和行业设计规范，满足模型试验的工艺要求，遵循经济性、先进性和适用性的统一，整体设施达到国内外先进水平;

2)工艺布局及功能区域划分合理，又留有适度拓展空间;

3)工艺设备选型合理，技术成熟、性能稳定、质量可靠;

4)科研生产、设备运作、货物运输、人员进出等活动有序、高效进行;

5)设计中充分考虑节约用地、节约能源、节约用水、环境保护等问题。

2 试验水池类型及特点

2.1 船模拖曳水池

船模拖曳水池是进行各种民用及军用船舶模型快速性及部分耐波性试验的专业设施，可进行阻力、敞水、流线、伴流场等试验内容，并预报实船航行性能，也可以进行水面地效应飞行试验、水下航行试验、大型船模高速航行拖曳试验等，是船舶与海洋工程领域最基础、最重要的设施［1］。

由于拖曳水池重点开展船模快速性试验，水池拖车的速度要求比较高，轨道非常长。从图1可以看出，水池整体呈狭长条形，主要设施有造波机、拖车及轨道、圆弧形消波滩、船坞等组成，以及围绕水池配套的公用动力站房、模型安装调试区域、建筑上部的起重机等。

图1 船模拖曳水池工艺布置Fig.1 Technical layout of towing tank

2.2 耐波性操纵性水池

以往操纵性和耐波性分开研究，但最新的水池大型化趋势可以将这2种性能研究集成到一个水池平台上进行试验。船舶与海洋结构物的操纵性、耐波性是衡量其性能优劣的重要指标，由于研究起来相当复杂，机理尚未全部摸清，因此许多问题有赖于模型试验，同时理论研究或计算也需通过试验来验证或修正。

从图2可发现，耐波性操纵性水池与船模拖曳水池具有一定的相似性，但其中的区别也相当明显。首先，水池的长－宽比例要远小于船模拖曳水池，水池宽度显得比较大;其次，耐波性操纵性水池具有长边、短边双向造波 (即L型造波)，可生成斜向波和三维短峰波。相应的，在造波机的正对面布置L型的圆弧形消波滩;另外，水池拖车跨距大，且具有X－Y平面运动的特点，便于模型在水池中开展操纵性试验。

图2 操纵性耐波性水池工艺布置Fig.2 Technical layout of seakeeping＆maneuvering basin

2.3 海洋工程水池

海洋工程水池是海洋平台模型水动力试验研究的主要设施。实际海洋平台是定位于某一特定水深海域进行生产作业，在风、浪、流的联合作用下，浮式平台产生6个自由度的运动和受到海洋环境的动力荷载。比较完备的海洋工程水池必须能够模拟复杂的海洋环境，及水深、风、浪、流等环境要素，而且产生风、浪、流的能力要足以模拟海洋平台生存条件 (百年一遇)的海况［2］。海洋工程水池是迄今为止技术最复杂、功能最齐全、造价最昂贵的水池。

图3 海洋工程水池工艺布置Fig.3 Technical layout of offshore basin

从图3可以发现，海洋工程水池与耐波性操纵性水池具有一定的相似性，即具有大跨度的X－Y拖车、L型造波机和L型消波滩。但两者的区别也比较明显，首先在水池本体之外布置有大型的循环造流系统;其次，水池的深度比较大，局部还有一个深井，在深度方向一般设置了若干个造流层，每一层有一个独立的水泵进行驱动;另外，水池内部还安装有一个大面积的可升降式的假底，可以根据试验水深需要，固定在任意一个深度上。

3 水池主尺度论证

理论上而言，水池尺度越大所能测试船模尺度则越大，从而降低尺度效应提高试验测量精度。但试验水池的主尺度需结合市场需求、水池试验能力、工程造价等各个方面因素进行考虑，同时水池各个参数之间相互影响，因而需综合各个参数进行设计。

3.1 船模拖曳水池

1)试验水池长度

现代试验水池多采用等速度方法进行阻力测试，它的使用范围广泛，而且便于采用新的试验技术。当确定水池长度时，应根据拖车的最大设计速度，计算加速段、稳定段、测量段和制动长度，另计入造波机段、消波滩段等长度。此外，水池总长度在不显著增加造价的基础上，宜适当计入一定的安全距离［3］。

2)试验水池横截面尺寸

试验水池横截面通常为矩形，其尺寸 (宽度和深度)的论证相比于长度要复杂得多，主要考虑阻塞因素［4］。根据工程经验，当水池的横截面积为船模横剖面积的150倍时，阻塞效应在0.68%以内。

另外，试验水深与船模吃水、最大波长相关，一般应大于50%最大波长或15倍船模吃水。同时，为节省工程投资，结合水深的确定，池宽应不宜小于12倍的船模宽度。

3.2 操纵性耐波性水池

操纵性耐波性水池的长度、深度确定方式与船模拖曳水池相同，但水池宽度应满足船模开展全回转试验的要求，一般为4或5倍船模长度并考虑额外的安全距离。另依据试验规程，模型至造波机距离不小于5倍波长［1］，同时考虑模型自身尺度及后方必要的模拟区域，试验水池的净水域宽度宜为10倍波长。

3.3 海洋工程水池

通常海洋工程水池的模型试验区域为一个L0×L0的正方形区间，该区域应可容纳最大的海洋试验模型。水池造流一般沿长度方向，水流从水池进水口处到达试验区域，需要经过一段距离L1用以消耗紊流能量以获得稳定流速;同时，还要保证试验区域与水池出水口处有一定距离L2，以避免出口水流流速的扰动影响。因此可确定水池净水域长度L=L1+L0+L2。

海洋工程水池的试验最大水深D由海洋工程结构物模型系泊系统的垂向尺度决定。D=平台实际工作水深×最大缩尺比，同时水池结构深度还要考虑假底和搁墩的高度以及干舷尺寸。

海洋工程水池的宽度W主要由试验模型尺寸及系泊方式决定，海洋工程结构物的系泊方式，主要有垂直张紧、斜向张紧和悬链线型系泊3种。垂直张紧型式占地小，对池宽无特殊要求。悬链线型系泊装置尺寸很大，但采用混合模型试验技术，可使其在有限的尺度内模拟大尺度系统特性，故对水池宽度也无特殊要求。对称布置的斜向张拉装置，占地面积大。设斜拉索与垂直方向的夹角θ，故单根斜拉索占用的水平尺度小于Dtanθ，对称布置两根斜拉索占用的水平尺度为2Dtanθ。若最大模型尺寸为A ×B，则W=2Dtanθ+min(A，B)+C(C为模型体积余量，一般取 1 ～ 2 m)［5］。

4 实验室工艺布置

4.1 实验室组成

实验室组成包括试验区域、模型制作区域、公用动力区域、模型安装调试区域 (含模型临时贮存区域)、辅助区域、控制及办公区域等部分。

试验区域:主要为试验水池区域，包括主体水池、船坞、拖车、轨道、造波机等;

模型制作区域:包括模型加工间、喷漆间、打磨间等;

公用动力区域:变电所、水泵房、空压站等;

模型安装调试区域:模型称重、调节惯量、安装仪器、试验前调试等，以及部分模型的临时贮存;

辅助区域:包含工具间、维修间、仪器间等;

控制及办公区域:数据采集与控制室、办公室等。

图4 实验室区域划分Fig.4 Laboratory sections divided

4.2 实验室主尺度

实验室的面积以轴线计算，应注明是轴线内面积。

1)长度的确定

在试验水池主尺度论证结论的基础上，并根据模型安装调试区域的大小，主要设备的类型和数量，初步确定实验室的长度。

2)跨度的确定

按工艺设备外形尺寸和具体工艺布置需要，参考工业车间设计经验，通常大中型车间跨度在27 m以上，中小型车间24～33 m，跨度尽量采用3的倍数。

3)柱距的选取

柱距常采用6 m，9 m，12 m，24 m，因和结构设计有关，需要和建筑结构专业讨论后确定。

4)高度的确定

实验室的高度要满足模型和测试设备等的安全进出和起吊要求，同时必须满足大型拖车的运行净空要求。

5 主要工艺系统

5.1 拖车及轨道系统

拖车是试验水池的主要设备，它拖曳模型达到试验要求速度，完成各项水动力学性能试验，获得试验所需的基础数据。拖车主要由车架、中央测桥、驱动行走机构、水平导轮机构、制动系统、摄像和照明系统、电控系统等组成，如图5所示。

拖车轨道包括钢轨、可调轨座、轨道梁。一般采用双轨形式，即沿水池长度方向两侧池壁顶部铺设钢轨，采用工字型优质钢，并间隔一定距离 (例如0.5 m)设置可调轨座，可以对轨道左右、高低方向进行微量调整。

主要技术指标:最高车速、调速范围、稳速精度、启动加速度、制动加速度、中央测桥升降行程、轨距、起重能力、行走驱动方式、供电方式等。

5.2 造波及消波系统

试验水池造波系统的核心装置是造波机，其式样较多，主要有2种类型:一是推板式造波机，适用于浅水池;二是摇板式造波机，适用于深水池。目前，国际上先进的耐波性操纵性水池和海洋工程水池，均采用的是多单元蛇形造波机，如图6所示。多单元造波机是由许多独立单元的摇板式造波机组成，当这些多单元的造波机以相同的频率、相同的摆幅往复运动，且各单元造波机之间相位差为0时，则多单元造波机的作用与整体式的摇板式造波机相同，所造的波即为长峰波。若各单元造波机之间相位差相等且不为0时，则在水面造出的是与造波机板面构成一定波向角的斜波。

为了消除波浪到达对岸时池壁的反射作用，在造波机对面的池壁前设置专门的消波装置，例如池端消波滩、池侧升降式消波器、造波机后部消能网，使造波机在水池中产生的波浪能够稳定地满足试验的要求。

主要技术指标:最大波高、有义波高、波长、周期、浪向、波谱等。

5.3 造流系统

图6 多单元蛇形造波机Fig.6 Multi-flap wave generator

试验水池的造流系统应能模拟各种海流，目前国际上先进的海洋工程水池均采用池外循环形式的造流系统，将漩涡、回流等扰动在水池外就消除掉，以保证试验区域内的流场的均匀度和湍流强度等特性满足模型试验的要求。从图7可以看出，水流由水池外的大功率水泵驱动后，经过管路和进水廊道进入水池，再经过水池对面的出水廊道返回到管路中，形成一个完整的循环过程。另外，在水深方向上，将海洋深水试验池的造流系统分为相互独立的数层，分布调节各层内水泵所产生水流的流速，已达到在水池内模拟不同的垂向剖面流速。

主要技术指标:表层流速、底层流速、整体平均流速、造流分层数等。

图7 造流系统工艺示意图Fig.7 Sketch map of current-generating system

5.4 造风系统

试验水池的造风系统通常由变频仪、交流电机、轴流风机组、风速仪以及计算机数据采集系统和计算机控制系统等组成。目前，大多数海洋工程水池普遍采用局部造风的形式，其造风系统通常由多个轴流式风机并排组成，以保证造风的稳定区域足以覆盖模型试验的运动范围。造风系统大多是可移动式，便于产生不同方向的风速(见图8)。

主要技术指标:最大风速、受风范围和高度、风谱等。

图8 矩阵式轴流风机组Fig.8 Matrix wind-generating system

5.5 水深调节系统

船舶与海洋结构物的工作水深大小不一，跨越相当大的范围，水池的工作水深应能根据具体船舶与海洋结构物模型试验的要求，模拟不同水深的海域环境条件。目前，国际上主要的海洋工程水池和部分耐波性操纵性水池采用大面积可升降的假底对水深进行调节，如图9所示。假底一般由钢材、玻璃钢或混凝土制作的箱形连接组合而成，其在水中的浮力略大于自身重量。假底的上下升降调节方式为在假底下部安装多根钢缆，通过安装在池边的多个卷扬机装置调节钢缆长度来实现假底的上下移动，从而达到调节水深的目的。

主要技术指标:假底面积、布置位置、升降行程、承载能力等。

图9 大面积升降假底效果图Fig.9 Large-scale water-depth regulation system

6 模型制作工艺

由于模型是按照一定比例尺缩小而成，因此其加工、制作精度要求非常高，生产流程复杂 (见图10)。首先，运进场的木材需进行一年以上的贮存和干燥，在木材含水率符合要求后方能进行机械下料，即根据船模线型，将大板裁成符合精度要求的曲线板。其次，在各曲线板之间施加胶黏剂，在冷压机上凝固成型，以形成船模粗胚。然后，利用五轴数控切削机，对船模粗胚进行铣削作业，满足一定的精度要求。之后，将船模进行精细化打磨，并在船模表层按工艺要求喷上底漆和面漆，达到高质量的试验精度要求。最后，完工的船模被运进实验室开展测试仪器的安装、调试作业。

图10 模型制作工艺流程图Fig.10 Process flow diagram of model manufacturing

7 结语

设计船舶与海洋工程试验水池是一项复杂而精细的系统工程，无论工艺设计还是工程设计都具有较强的科研探索性 (特别是造波、造流系统的设计和调试)，只有在充分理解和消化工艺的基础上，综合应用成熟可靠、经济适用的工程技术、设备、材料以及现代化的设计理念，才能设计出完善的试验水池，在这方面还需要船舶科研机构、设计单位、施工单位的共同努力，三方面进一步协调研究并提高。

自1953年我国第一座船舶与海洋工程试验水池建成以来，在20世纪80年代形成一股水池建设的小高潮。进入21世纪特别是2008年之后，由于国家科技创新和海洋强国战略的实施，对基础科研设施投入了巨大的资金，掀起了较大规模的新建水动力试验水池的高潮。目前，中船九院正不断开拓水池设计业务，设计实力日臻完善，为我国船舶与海洋工程行业的发展做出了积极贡献。

［1］俞湘三，陈泽梁，楼连根，等.船舶性能实验技术［M］.上海:上海交通大学出版社，1991.

［2］杨建民，肖龙飞，盛振邦.海洋工程水动力学试验研究［M］.上海:上海交通大学出版社，2008.

［3］杨松林，孙小峰.确定拖曳水池长度的方法［J］.船舶工程，2001(6):61－63.

［4］谢克振，周占群，宋家瑾，等.水池阻塞效应的试验探讨［J］.上海船舶运输科学研究所学报，1978(2):1－5.

［5］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.