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摘要:

船舶與海洋工程試驗水池主要分為船模拖曳水池、耐波性操縱性水池、海洋工程水池三大類，本文在總結中船九院公司已設計的諸多水池案例的基礎上，梳理了試驗水池的設計思路，闡述了比較完整的該類型水池工程的設計方法，包括水池主尺度的確定、實驗室工藝布置、主要工藝系統和模型制作工藝等。

關鍵詞:

試驗水池;工藝設計;工藝系統;模型制作

船舶與海洋工程水動力學是船舶力學的重要分支，是一門研究水面艦船、海洋工程平臺、水下運載器與周圍水流介質相互作用的交叉科學技術，技術難度高，其基本研究平臺為試驗水池。試驗水池主要分為拖曳水池、耐波性操縱性水池、海洋工程水池三大類，通過試驗水池掌握流體流動的基本物理學問題，完善計算流體力學技術，為我國船舶科技的創新發展提供基礎研究依據。包括歐美、日韓在內的世界先進造船國家都不遺余力的依托試驗水池，開展船舶與海洋工程水動力學研究，發展和創新船型技術，以持久保證并增強其核心競爭能力。鑒于此，作為基礎研究平臺的試驗水池，其工程設計的好壞直接影響船舶與海洋工程水動力學研究水平的優劣。

1工藝設計原則

1)遵守國家和行業設計規范，滿足模型試驗的工藝要求，遵循經濟性、先進性和適用性的統一，整體設施達到國內外先進水平;2)工藝布局及功能區域劃分合理，又留有適度拓展空間;3)工藝設備選型合理，技術成熟、性能穩定、質量可靠;4)科研生產、設備運作、貨物運輸、人員進出等活動有序、高效進行;5)設計中充分考慮節約用地、節約能源、節約用水、環境保護等問題。

2試驗水池類型及特點

2.1船模拖曳水池船模拖曳水池是進行各種民用及軍用船舶模型快速性及部分耐波性試驗的專業設施，可進行阻力、敞水、流線、伴流場等試驗內容，并預報實船航行性能，也可以進行水面地效應飛行試驗、水下航行試驗、大型船模高速航行拖曳試驗等，是船舶與海洋工程領域最基礎、最重要的設施［1］。由于拖曳水池重點開展船模快速性試驗，水池拖車的速度要求比較高，軌道非常長。從圖1可以看出，水池整體呈狹長條形，主要設施有造波機、拖車及軌道、圓弧形消波灘、船塢等組成，以及圍繞水池配套的公用動力站房、模型安裝調試區域、建筑上部的起重機等。

2.2耐波性操縱性水池以往操縱性和耐波性分開研究，但最新的水池大型化趨勢可以將這2種性能研究集成到一個水池平臺上進行試驗。船舶與海洋結構物的操縱性、耐波性是衡量其性能優劣的重要指標，由于研究起來相當復雜，機理尚未全部摸清，因此許多問題有賴于模型試驗，同時理論研究或計算也需通過試驗來驗證或修正。從圖2可發現，耐波性操縱性水池與船模拖曳水池具有一定的相似性，但其中的區別也相當明顯。首先，水池的長－寬比例要遠小于船模拖曳水池，水池寬度顯得比較大;其次，耐波性操縱性水池具有長邊、短邊雙向造波(即L型造波)，可生成斜向波和三維短峰波。相應的，在造波機的正對面布置L型的圓弧形消波灘;另外，水池拖車跨距大，且具有X－Y平面運動的特點，便于模型在水池中開展操縱性試驗。

2.3海洋工程水池海洋工程水池是海洋平臺模型水動力試驗研究的主要設施。實際海洋平臺是定位于某一特定水深海域進行生產作業，在風、浪、流的聯合作用下，浮式平臺產生6個自由度的運動和受到海洋環境的動力荷載。比較完備的海洋工程水池必須能夠模擬復雜的海洋環境，及水深、風、浪、流等環境要素，而且產生風、浪、流的能力要足以模擬海洋平臺生存條件(百年一遇)的海況［2］。海洋工程水池是迄今為止技術最復雜、功能最齊全、造價最昂貴的水池。從圖3可以發現，海洋工程水池與耐波性操縱性水池具有一定的相似性，即具有大跨度的X－Y拖車、L型造波機和L型消波灘。但兩者的區別也比較明顯，首先在水池本體之外布置有大型的循環造流系統;其次，水池的深度比較大，局部還有一個深井，在深度方向一般設置了若干個造流層，每一層有一個獨立的水泵進行驅動;另外，水池內部還安裝有一個大面積的可升降式的假底，可以根據試驗水深需要，固定在任意一個深度上。

3水池主尺度論證

理論上而言，水池尺度越大所能測試船模尺度則越大，從而降低尺度效應提高試驗測量精度。但試驗水池的主尺度需結合市場需求、水池試驗能力、工程造價等各個方面因素進行考慮，同時水池各個參數之間相互影響，因而需綜合各個參數進行設計。

3.1船模拖曳水池1)試驗水池長度現代試驗水池多采用等速度方法進行阻力測試，它的使用范圍廣泛，而且便于采用新的試驗技術。當確定水池長度時，應根據拖車的最大設計速度，計算加速段、穩定段、測量段和制動長度，另計入造波機段、消波灘段等長度。此外，水池總長度在不顯著增加造價的基礎上，宜適當計入一定的安全距離［3］。2)試驗水池橫截面尺寸試驗水池橫截面通常為矩形，其尺寸(寬度和深度)的論證相比于長度要復雜得多，主要考慮阻塞因素［4］。根據工程經驗，當水池的橫截面積為船模橫剖面積的150倍時，阻塞效應在0.68%以內。另外，試驗水深與船模吃水、最大波長相關，一般應大于50%最大波長或15倍船模吃水。同時，為節省工程投資，結合水深的確定，池寬應不宜小于12倍的船模寬度。

3.2操縱性耐波性水池操縱性耐波性水池的長度、深度確定方式與船模拖曳水池相同，但水池寬度應滿足船模開展全回轉試驗的要求，一般為4或5倍船模長度并考慮額外的安全距離。另依據試驗規程，模型至造波機距離不小于5倍波長［1］，同時考慮模型自身尺度及后方必要的模擬區域，試驗水池的凈水域寬度宜為10倍波長。

3.3海洋工程水池通常海洋工程水池的模型試驗區域為一個L0×L0的正方形區間，該區域應可容納最大的海洋試驗模型。水池造流一般沿長度方向，水流從水池進水口處到達試驗區域，需要經過一段距離L1用以消耗紊流能量以獲得穩定流速;同時，還要保證試驗區域與水池出水口處有一定距離L2，以避免出口水流流速的擾動影響。因此可確定水池凈水域長度L=L1+L0+L2。海洋工程水池的試驗最大水深D由海洋工程結構物模型系泊系統的垂向尺度決定。D=平臺實際工作水深×最大縮尺比，同時水池結構深度還要考慮假底和擱墩的高度以及干舷尺寸。海洋工程水池的寬度W主要由試驗模型尺寸及系泊方式決定，海洋工程結構物的系泊方式，主要有垂直張緊、斜向張緊和懸鏈線型系泊3種。垂直張緊型式占地小，對池寬無特殊要求。懸鏈線型系泊裝置尺寸很大，但采用混合模型試驗技術，可使其在有限的尺度內模擬大尺度系統特性，故對水池寬度也無特殊要求。對稱布置的斜向張拉裝置，占地面積大。設斜拉索與垂直方向的夾角θ，故單根斜拉索占用的水平尺度小于Dtanθ，對稱布置兩根斜拉索占用的水平尺度為2Dtanθ。若最大模型尺寸為A×B，則W=2Dtanθ+min(A，B)+C(C為模型體積余量，一般取1～2m)［5］。

4實驗室工藝布置

4.1實驗室組成實驗室組成包括試驗區域、模型制作區域、公用動力區域、模型安裝調試區域(含模型臨時貯存區域)、輔助區域、控制及辦公區域等部分。試驗區域:主要為試驗水池區域，包括主體水池、船塢、拖車、軌道、造波機等;模型制作區域:包括模型加工間、噴漆間、打磨間等;公用動力區域:變電所、水泵房、空壓站等;模型安裝調試區域:模型稱重、調節慣量、安裝儀器、試驗前調試等，以及部分模型的臨時貯存;輔助區域:包含工具間、維修間、儀器間等;控制及辦公區域:數據采集與控制室、辦公室等。

4.2實驗室主尺度實驗室的面積以軸線計算，應注明是軸線內面積。1)長度的確定在試驗水池主尺度論證結論的基礎上，并根據模型安裝調試區域的大小，主要設備的類型和數量，初步確定實驗室的長度。2)跨度的確定按工藝設備外形尺寸和具體工藝布置需要，參考工業車間設計經驗，通常大中型車間跨度在27m以上，中小型車間24～33m，跨度盡量采用3的倍數。3)柱距的選取柱距常采用6m，9m，12m，24m，因和結構設計有關，需要和建筑結構專業討論后確定。4)高度的確定實驗室的高度要滿足模型和測試設備等的安全進出和起吊要求，同時必須滿足大型拖車的運行凈空要求。

5主要工藝系統

5.1拖車及軌道系統拖車是試驗水池的主要設備，它拖曳模型達到試驗要求速度，完成各項水動力學性能試驗，獲得試驗所需的基礎數據。拖車主要由車架、中央測橋、驅動行走機構、水平導輪機構、制動系統、攝像和照明系統、電控系統等組成，如圖5所示。拖車軌道包括鋼軌、可調軌座、軌道梁。一般采用雙軌形式，即沿水池長度方向兩側池壁頂部鋪設鋼軌，采用工字型優質鋼，并間隔一定距離(例如0.5m)設置可調軌座，可以對軌道左右、高低方向進行微量調整。主要技術指標:最高車速、調速范圍、穩速精度、啟動加速度、制動加速度、中央測橋升降行程、軌距、起重能力、行走驅動方式、供電方式等。

5.2造波及消波系統試驗水池造波系統的核心裝置是造波機，其式樣較多，主要有2種類型:一是推板式造波機，適用于淺水池;二是搖板式造波機，適用于深水池。目前，國際上先進的耐波性操縱性水池和海洋工程水池，均采用的是多單元蛇形造波機，如圖6所示。多單元造波機是由許多獨立單元的搖板式造波機組成，當這些多單元的造波機以相同的頻率、相同的擺幅往復運動，且各單元造波機之間相位差為0時，則多單元造波機的作用與整體式的搖板式造波機相同，所造的波即為長峰波。若各單元造波機之間相位差相等且不為0時，則在水面造出的是與造波機板面構成一定波向角的斜波。為了消除波浪到達對岸時池壁的反射作用，在造波機對面的池壁前設置專門的消波裝置，例如池端消波灘、池側升降式消波器、造波機后部消能網，使造波機在水池中產生的波浪能夠穩定地滿足試驗的要求。主要技術指標:最大波高、有義波高、波長、周期、浪向、波譜等。

5.3造流系統試驗水池的造流系統應能模擬各種海流，目前國際上先進的海洋工程水池均采用池外循環形式的造流系統，將漩渦、回流等擾動在水池外就消除掉，以保證試驗區域內的流場的均勻度和湍流強度等特性滿足模型試驗的要求。從圖7可以看出，水流由水池外的大功率水泵驅動后，經過管路和進水廊道進入水池，再經過水池對面的出水廊道返回到管路中，形成一個完整的循環過程。另外，在水深方向上，將海洋深水試驗池的造流系統分為相互獨立的數層，分布調節各層內水泵所產生水流的流速，已達到在水池內模擬不同的垂向剖面流速。主要技術指標:表層流速、底層流速、整體平均流速、造流分層數等。

5.4造風系統試驗水池的造風系統通常由變頻儀、交流電機、軸流風機組、風速儀以及計算機數據采集系統和計算機控制系統等組成。目前，大多數海洋工程水池普遍采用局部造風的形式，其造風系統通常由多個軸流式風機并排組成，以保證造風的穩定區域足以覆蓋模型試驗的運動范圍。造風系統大多是可移動式，便于產生不同方向的風速(見圖8)。主要技術指標:最大風速、受風范圍和高度、風譜等。

5.5水深調節系統船舶與海洋結構物的工作水深大小不一，跨越相當大的范圍，水池的工作水深應能根據具體船舶與海洋結構物模型試驗的要求，模擬不同水深的海域環境條件。目前，國際上主要的海洋工程水池和部分耐波性操縱性水池采用大面積可升降的假底對水深進行調節，如圖9所示。假底一般由鋼材、玻璃鋼或混凝土制作的箱形連接組合而成，其在水中的浮力略大于自身重量。假底的上下升降調節方式為在假底下部安裝多根鋼纜，通過安裝在池邊的多個卷揚機裝置調節鋼纜長度來實現假底的上下移動，從而達到調節水深的目的。主要技術指標:假底面積、布置位置、升降行程、承載能力等。

6模型制作工藝

由于模型是按照一定比例尺縮小而成，因此其加工、制作精度要求非常高，生產流程復雜(見圖10)。首先，運進場的木材需進行一年以上的貯存和干燥，在木材含水率符合要求后方能進行機械下料，即根據船模線型，將大板裁成符合精度要求的曲線板。其次，在各曲線板之間施加膠黏劑，在冷壓機上凝固成型，以形成船模粗胚。然后，利用五軸數控切削機，對船模粗胚進行銑削作業，滿足一定的精度要求。之后，將船模進行精細化打磨，并在船模表層按工藝要求噴上底漆和面漆，達到高質量的試驗精度要求。最后，完工的船模被運進實驗室開展測試儀器的安裝、調試作業。

7結語

設計船舶與海洋工程試驗水池是一項復雜而精細的系統工程，無論工藝設計還是工程設計都具有較強的科研探索性(特別是造波、造流系統的設計和調試)，只有在充分理解和消化工藝的基礎上，綜合應用成熟可靠、經濟適用的工程技術、設備、材料以及現代化的設計理念，才能設計出完善的試驗水池，在這方面還需要船舶科研機構、設計單位、施工單位的共同努力，三方面進一步協調研究并提高。自1953年我國第一座船舶與海洋工程試驗水池建成以來，在20世紀80年代形成一股水池建設的小高潮。進入21世紀特別是2008年之后，由于國家科技創新和海洋強國戰略的實施，對基礎科研設施投入了巨大的資金，掀起了較大規模的新建水動力試驗水池的高潮。目前，中船九院正不斷開拓水池設計業務，設計實力日臻完善，為我國船舶與海洋工程行業的發展做出了積極貢獻。

參考文獻:

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［5］徐劍．試論海洋工程水池工藝設計的基本原理［J］．造船技術，2008(1):32－35.

作者：唐勇 徐劍 茅寶章 單位：中船第九設計研究院工程有限公司 上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心