船模拖曳水池实验室工程设计研究

唐　勇， 徐　猛， 李华梅， 黄凌寅， 徐　剑

(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)



船模拖曳水池实验室工程设计研究

唐勇1,2， 徐猛1， 李华梅1,2， 黄凌寅1， 徐剑1

(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)

摘要本文在总结中船九院公司诸多水池工程案例的基础上，梳理了船模拖曳水池实验室的设计思路，比较完整阐述了该类型水池工程设计的特点，包括水池主尺度、水工结构工程、建筑结构工程、主要工艺系统等，最后通过工程案例介绍了拖曳水池的建设规模和投资估算的确定方法。

关键词拖曳水池主尺度船模长度建设规模投资估算

Investment estimation

0引言

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、大型船模高速拖曳试验等，是船舶与海洋工程领域最基础、最重要的科研设施。

船模拖曳水池实验室包括试验水池、模型安装调试区域、仪器控制及数据采集区域、公用动力区域等部分，其建设规模及造价主要由水池主尺度、水工结构工程、建筑结构工程、主要工艺系统等因素控制。

1建设规模控制因素

1.1水池主尺度

拖曳水池是一个永久性建筑物，一旦建成以后，除了长度有可能接长外，水池宽度和深度是无法改变的，所以在决定主尺度时，考虑到目前使用及今后可能的发展趋势，其主要尺度取决于缩尺比和船模大小的选择。

1.1.1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，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[1]。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。

1.1.2 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)的论证相对于长度要复杂得多，主要考虑的是阻塞因素。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%的最大波长或15倍船模吃水。同时，为节省工程投资，结合水深的确定，池宽应不小于10倍的船模宽度[2]。

1.2水工结构工程

水工结构的设计主要分为两部分——池墙结构设计和水池底板结构设计，但是与一般的挡土墙结构和地基基础设计的显著区别是水池结构还具有更严格的挡水、导水、防渗要求，并且水池结构所受外荷载比较复杂，工况较多。选择合适的结构形式直接关系到工程造价、施工进度以及周围环境的安全。设计中需对不同结构方案进行安全、经济、工期等因素的综合分析对比，最终确定优选方案。

1.2.1水池池墙结构

水池池墙是水池的重要组成部分之一，其结构型式往往与岩土工程条件、建造方法密切相关。水池池墙常用的结构型式有重力式、桩基承台式、衬砌式、混合式和板桩式等。在土压力、墙前后水压力、渗透压力、浮托力、工艺荷载等作用下，池墙除具有足够的强度外，还需要有足够的抗滑移和抗倾覆的稳定性。图1为船模拖曳水池池墙常用结构型式。

图1　船模拖曳水池池墙常用结构型式

1.2.2水池底板结构

水池底板结构设计为水池地下结构设计的重要组成部分，底板通常需要承受自重、水压力、浮托力、试验荷载等作用力。大多数水池需要有检修工况，当水池有排空工况时，常考虑在水池底板下设置减压排水层，以减少浮托力对水池底板结构的不利影响。当水池承载较大，或工艺要求较高，浅基础底板方案已经不能满足使用要求时，水池底板下常设置桩基础，水池桩基础一般选择PHC管桩和钻孔灌注桩。

现在水池建设项目中拖车轨道承受的荷载越来越大、轨道精度要求越来越高，拖车轨道地基不均匀沉降的出现，会严重影响拖车的使用功能和测试精度，因此水工结构应严格控制池体不均匀沉降。另外，大体积混凝土在水池工程中的应用越来越广泛，随之而来的裂缝控制问题应引起设计人员的足够重视，这也是水池设计中的重要控制因素和技术难点。

1.3建筑工程

1.3.1建筑设计

通过工艺专业对试验水池主尺度论证，建筑专业根据模型安装调试区的大小，按工艺设备外形尺寸和具体工艺布置需要，初步确定实验室的长度。根据以往工业车间的设计经验，通常大中型车间跨度在27 m以上，中小型车间跨度为24 m～33 m。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。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，同时须满足大型拖车的运行净空要求。

船模拖曳水池实验室一般为单层戊类工业建筑，为保证相对稳定的室内环境和池内水质，需要开设高窗采光并加设遮阳措施，同时还需设置百叶窗用于通风。由于水池内湿度大，应尽量避免屋盖结构结露和腐蚀。实验室屋面可采用外保温系统，减少外界气候对室内环境的影响，防止内表面结露，同时响应建筑节能的要求。

1.3.2建筑结构设计

实验室横向一般采用排架结构，柱子可采用矩形钢筋混凝土格构柱，屋盖梁采用预应力混凝土折线形屋架等。车间纵向一般设置若干道伸缩缝，将车间分成几个结构单体，每个单体长度不宜超过100 m，砌块墙体的伸缩缝设置在每个结构单体的两侧和中部。以上结构单体的伸缩缝、砌块墙体位于结构单体两侧的伸缩缝均应满足抗震缝的要求。

当屋盖采用预应力混凝土折线形屋架时，每个结构单体的两端设置屋架横向上弦支撑和下弦支撑，在屋架跨中及柱列处沿纵向设置屋架上、下弦刚性系杆，并在屋架跨中的纵向两端设置垂直支撑，在纵向柱列的两端和柱间支撑处设置垂直支撑。图2为某船模拖曳水池实验室建筑效果图。

图2　某船模拖曳水池实验室建筑效果图

1.4主要工艺系统

1.4.1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3所示。

图3　拖车及轨道系统

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。

1.4.2造波及消波系统

试验水池通常所用的造波设备有摇板式造波机、推板式造波机等。目前使用较为普遍的是摇板式造波机。摇板式造波机的主体部分是一框架式板块结构，其下缘与固定支座铰接，如图4所示。在驱动机构带动下，造波板绕支座上的铰接点作往复运动，使板面前方的水抬高或下降，在水面上形成波浪。调节或控制摇板的摆幅和周期(频率)，可以产生不同波高和波长的波浪。摇板式造波机的结构简单、质量较小。若采用伺服传动机构，即可调频，又能调幅，用于造不规则波比较方便。

为了消除池壁对波浪的反射作用，在水池内部设置专门的消波装置，例如固定式消波滩、升降式边消波器、造波机消能网等，使造波机在水池中产生的波浪能够稳定地满足试验精度的要求。

主要技术指标：最大波高(有义波高)、波长、周期、波谱等。

2工程案例

2.1项目概况

国内某水产工学研究所规划在上海地区新建一座船模拖曳水池，主要用于新型渔船的开发、渔船适航性和渔船船型的改善，以及相关的流体力学研究，工程造价预算约9 000万元。该所提供典型试验船型及主要参数(见表1)，表中下标s及m分别表示实船和模型。

图4　多单元摇板式造波机

序号船型总长Ls/m型宽Bs/m型深Ds/m吃水ds/m航速Vs/kn弗劳德数Fr1大型渔政船15016.596.5300.402超高速渔政艇386.73.12.2401.073大型拖网加工渔船120.71912.28150.224远洋秋刀鱼船76.711.37.44.314.20.275远洋鱿鱼钓船74.411.374.312.80.246冷藏运输船7411.46.24.213.50.267大型围网渔船70.612.37.34.814.450.288玻璃钢延绳钓船39.973.72.911.60.30

2.2水池主尺度及主要参数

正确选定一个合适的船模缩尺比是船模水动力性能试验的首要任务。例如，当船模与实船的缩尺比确定后，船模上的各物理量就可以按一定缩尺比λ的关系式换算为实船上相应的物理量。因而，船模大小是考虑船模缩尺比的关键因素[3]。根据最大船模加工能力，选择4～12 m长度的船模计算最大拖曳速度，如表2所示。

表2　拖车最大拖曳速度计算表

注：研究船舶性能时要求曲线延伸，故考虑1.2倍的速度储备[4]。

根据船模拖曳水池主尺度论证方式，确定试验水池的长度、宽度、试验水深、最大波高、干舷高度等参数，计算结果如表3所示。

表3　水池主尺度及主要参数汇总表　单位：m

2.3实验室主尺度

在试验水池主尺度论证结论的基础上，初步确定实验室的主尺度，如表4所示。

2.4工程投资估算

按照我国规定，从满足建设项目投资设计和投

表4　实验室主尺度的确定　　　单位：m

资规模的角度，建设项目投资估算包括固定资产投资估算和流动资金估算两部分，它们是保证项目建设和生产经营活动正常进行的必要资金[5]。由于篇幅限制，此处仅关注固定资产投资估算。

固定资产投资估算内容按照费用的性质划分，包括建筑安装工程费、设备及工器具购置费、工程建设其他费(不含流动资金)、基本预备费等[6]。船模拖曳水池实验室工程投资估算如表5所示。

表5　船模拖曳水池实验室工程投资估算

根据各船模长度的工程投资估算，绘制工程投资分析图(见图5)、投资构成比例分析图(见图6)，在工程投资预算9 000万元的控制红线下，即可得出Lm=8 m船模为该工程项目的最佳建设规模。另可发现，随着船模长度的增加，工程投资规模呈指数型增长，这主要为水工结构工程费用的大幅度增加。同时，建筑结构工程、公用安装工程和工艺设备投资比例呈现一定的下降趋势。

图5　工程投资分析图

图6　投资构成比例分析图

3结论

(1) 船模拖曳水池实验室的建设规模及造价主要由水池主尺度、水工结构工程、建筑结构工程、主要工艺系统等因素控制。

(2) 正确选定一个合适的船模缩尺比是规划新建船模拖曳水池实验室的首要任务，而船模大小是考虑船模缩尺比的关键因素，且船模大小直接影响到实验室的建设规模。

(3) 随着船模长度的增加，工程投资规模呈指数型增长，这主要表现为水工结构工程费用的大幅度增加。同时，建筑结构工程、公用安装工程和工艺设备投资比例呈现一定的下降趋势。

本研究成果可作为船模拖曳水池实验室建设工程在立项或可行性研究阶段总体设计的参考。

参考文献

[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]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.

[3]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.

[4]孙长龙. 船模拖曳水池主要参数的确定[J]. 武汉水运工程学院学报，1981(2):102-107.

[5]唐忠荣，刘欣，张士成.木材工业工厂设计[M]. 北京：中国林业出版社，2009.

[6]吴倩. 建筑工程快速投资估算新方法研究[D]. 大连：大连理工大学，2009.

Research on Project Design of Ship-model Towing Tank

TANG Yong1,2, XU Meng1, LI Hua-mei1,2, HUANG Ling-ying1, XU Jian1

(1. China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China;2. Shanghai Research Center of Ocean & Shipbuilding Engineering, Shanghai 200063, China)

AbstractBased on finished projects of testing basins in NDRI, this paper brings a complete approach to ship-model towing tanks for showing design philosophy and methods including principal dimensions of basin, hydraulic structure, architectural structure, main process system, etc. At last, the implementation process of the method of construction scale and investment estimation is explained by the case study.

KeywordsTowing tankPrincipal dimensionsModel lengthConstruction scale

中图分类号U661

文献标志码A

作者简介：唐勇(1983-)，男，工程师。研究方向为水工及特种工程工艺设计。