船舶與海洋工程試驗(yàn)水池工藝設(shè)計(jì)

唐 勇，徐 劍，茅寶章

(1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063;2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200063)

0 引言

船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)是船舶力學(xué)的重要分支，是一門研究水面艦船、海洋工程平臺(tái)、水下運(yùn)載器與周圍水流介質(zhì)相互作用的交叉科學(xué)技術(shù)，技術(shù)難度高，其基本研究平臺(tái)為試驗(yàn)水池。試驗(yàn)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(yàn)水池掌握流體流動(dòng)的基本物理學(xué)問題，完善計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，為我國船舶科技的創(chuàng)新發(fā)展提供基礎(chǔ)研究依據(jù)。包括歐美、日韓在內(nèi)的世界先進(jìn)造船國家都不遺余力的依托試驗(yàn)水池，開展船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究，發(fā)展和創(chuàng)新船型技術(shù)，以持久保證并增強(qiáng)其核心競爭能力。鑒于此，作為基礎(chǔ)研究平臺(tái)的試驗(yàn)水池，其工程設(shè)計(jì)的好壞直接影響船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究水平的優(yōu)劣。

1 工藝設(shè)計(jì)原則

1)遵守國家和行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，滿足模型試驗(yàn)的工藝要求，遵循經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性和適用性的統(tǒng)一，整體設(shè)施達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平;

2)工藝布局及功能區(qū)域劃分合理，又留有適度拓展空間;

3)工藝設(shè)備選型合理，技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠;

4)科研生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)作、貨物運(yùn)輸、人員進(jìn)出等活動(dòng)有序、高效進(jìn)行;

5)設(shè)計(jì)中充分考慮節(jié)約用地、節(jié)約能源、節(jié)約用水、環(huán)境保護(hù)等問題。

2 試驗(yàn)水池類型及特點(diǎn)

2.1 船模拖曳水池

船模拖曳水池是進(jìn)行各種民用及軍用船舶模型快速性及部分耐波性試驗(yàn)的專業(yè)設(shè)施，可進(jìn)行阻力、敞水、流線、伴流場等試驗(yàn)內(nèi)容，并預(yù)報(bào)實(shí)船航行性能，也可以進(jìn)行水面地效應(yīng)飛行試驗(yàn)、水下航行試驗(yàn)、大型船模高速航行拖曳試驗(yàn)等，是船舶與海洋工程領(lǐng)域最基礎(chǔ)、最重要的設(shè)施［1］。

由于拖曳水池重點(diǎn)開展船模快速性試驗(yàn)，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(shè)施有造波機(jī)、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(dòng)力站房、模型安裝調(diào)試區(qū)域、建筑上部的起重機(jī)等。

圖1 船模拖曳水池工藝布置Fig.1 Technical layout of towing tank

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(gè)水池平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的操縱性、耐波性是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，由于研究起來相當(dāng)復(fù)雜，機(jī)理尚未全部摸清，因此許多問題有賴于模型試驗(yàn)，同時(shí)理論研究或計(jì)算也需通過試驗(yàn)來驗(yàn)證或修正。

從圖2可發(fā)現(xiàn)，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(qū)別也相當(dāng)明顯。首先，水池的長－寬比例要遠(yuǎn)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(yīng)的，在造波機(jī)的正對(duì)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(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，便于模型在水池中開展操縱性試驗(yàn)。

圖2 操縱性耐波性水池工藝布置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臺(tái)模型水動(dòng)力試驗(yàn)研究的主要設(shè)施。實(shí)際海洋平臺(tái)是定位于某一特定水深海域進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，在風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用下，浮式平臺(tái)產(chǎn)生6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和受到海洋環(huán)境的動(dòng)力荷載。比較完備的海洋工程水池必須能夠模擬復(fù)雜的海洋環(huán)境，及水深、風(fēng)、浪、流等環(huán)境要素，而且產(chǎn)生風(fēng)、浪、流的能力要足以模擬海洋平臺(tái)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(shù)最復(fù)雜、功能最齊全、造價(jià)最昂貴的水池。

圖3 海洋工程水池工藝布置Fig.3 Technical layout of offshore basin

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，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(jī)和L型消波灘。但兩者的區(qū)別也比較明顯，首先在水池本體之外布置有大型的循環(huán)造流系統(tǒng);其次，水池的深度比較大，局部還有一個(gè)深井，在深度方向一般設(shè)置了若干個(gè)造流層，每一層有一個(gè)獨(dú)立的水泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng);另外，水池內(nèi)部還安裝有一個(gè)大面積的可升降式的假底，可以根據(jù)試驗(yàn)水深需要，固定在任意一個(gè)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(yīng)提高試驗(yàn)測量精度。但試驗(yàn)水池的主尺度需結(jié)合市場需求、水池試驗(yàn)?zāi)芰Α⒐こ淘靸r(jià)等各個(gè)方面因素進(jìn)行考慮，同時(shí)水池各個(gè)參數(shù)之間相互影響，因而需綜合各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 船模拖曳水池

1)試驗(yàn)水池長度

現(xiàn)代試驗(yàn)水池多采用等速度方法進(jìn)行阻力測試，它的使用范圍廣泛，而且便于采用新的試驗(yàn)技術(shù)。當(dāng)確定水池長度時(shí)，應(yīng)根據(jù)拖車的最大設(shè)計(jì)速度，計(jì)算加速段、穩(wěn)定段、測量段和制動(dòng)長度，另計(jì)入造波機(jī)段、消波灘段等長度。此外，水池總長度在不顯著增加造價(jià)的基礎(chǔ)上，宜適當(dāng)計(jì)入一定的安全距離［3］。

2)試驗(yàn)水池橫截面尺寸

試驗(yàn)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(fù)雜得多，主要考慮阻塞因素［4］。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)水池的橫截面積為船模橫剖面積的150倍時(shí)，阻塞效應(yīng)在0.68%以內(nèi)。

另外，試驗(yàn)水深與船模吃水、最大波長相關(guān)，一般應(yīng)大于50%最大波長或15倍船模吃水。同時(shí)，為節(jié)省工程投資，結(jié)合水深的確定，池寬應(yīng)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(yīng)滿足船模開展全回轉(zhuǎn)試驗(yàn)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(jù)試驗(yàn)規(guī)程，模型至造波機(jī)距離不小于5倍波長［1］，同時(shí)考慮模型自身尺度及后方必要的模擬區(qū)域，試驗(yàn)水池的凈水域?qū)挾纫藶?0倍波長。

3.3 海洋工程水池

通常海洋工程水池的模型試驗(yàn)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)L0×L0的正方形區(qū)間，該區(qū)域應(yīng)可容納最大的海洋試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｋ卦炝饕话阊亻L度方向，水流從水池進(jìn)水口處到達(dá)試驗(yàn)區(qū)域，需要經(jīng)過一段距離L1用以消耗紊流能量以獲得穩(wěn)定流速;同時(shí)，還要保證試驗(yàn)區(qū)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(dòng)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(yàn)最大水深D由海洋工程結(jié)構(gòu)物模型系泊系統(tǒng)的垂向尺度決定。D=平臺(tái)實(shí)際工作水深×最大縮尺比，同時(shí)水池結(jié)構(gòu)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(yàn)?zāi)Ｐ统叽缂跋挡捶绞經(jīng)Q定，海洋工程結(jié)構(gòu)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(duì)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(yàn)技術(shù)，可使其在有限的尺度內(nèi)模擬大尺度系統(tǒng)特性，故對(duì)水池寬度也無特殊要求。對(duì)稱布置的斜向張拉裝置，占地面積大。設(shè)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(duì)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 ～ 2 m)［5］。

4 實(shí)驗(yàn)室工藝布置

4.1 實(shí)驗(yàn)室組成

實(shí)驗(yàn)室組成包括試驗(yàn)區(qū)域、模型制作區(qū)域、公用動(dòng)力區(qū)域、模型安裝調(diào)試區(qū)域 (含模型臨時(shí)貯存區(qū)域)、輔助區(qū)域、控制及辦公區(qū)域等部分。

試驗(yàn)區(qū)域:主要為試驗(yàn)水池區(qū)域，包括主體水池、船塢、拖車、軌道、造波機(jī)等;

模型制作區(qū)域:包括模型加工間、噴漆間、打磨間等;

公用動(dòng)力區(qū)域:變電所、水泵房、空壓站等;

模型安裝調(diào)試區(qū)域:模型稱重、調(diào)節(jié)慣量、安裝儀器、試驗(yàn)前調(diào)試等，以及部分模型的臨時(shí)貯存;

輔助區(qū)域:包含工具間、維修間、儀器間等;

控制及辦公區(qū)域:數(shù)據(jù)采集與控制室、辦公室等。

圖4 實(shí)驗(yàn)室區(qū)域劃分Fig.4 Laboratory sections divided

4.2 實(shí)驗(yàn)室主尺度

實(shí)驗(yàn)室的面積以軸線計(jì)算，應(yīng)注明是軸線內(nèi)面積。

1)長度的確定

在試驗(yàn)水池主尺度論證結(jié)論的基礎(chǔ)上，并根據(jù)模型安裝調(diào)試區(qū)域的大小，主要設(shè)備的類型和數(shù)量，初步確定實(shí)驗(yàn)室的長度。

2)跨度的確定

按工藝設(shè)備外形尺寸和具體工藝布置需要，參考工業(yè)車間設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常大中型車間跨度在27 m以上，中小型車間24～33 m，跨度盡量采用3的倍數(shù)。

3)柱距的選取

柱距常采用6 m，9 m，12 m，24 m，因和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，需要和建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)討論后確定。

4)高度的確定

實(shí)驗(yàn)室的高度要滿足模型和測試設(shè)備等的安全進(jìn)出和起吊要求，同時(shí)必須滿足大型拖車的運(yùn)行凈空要求。

5 主要工藝系統(tǒng)

5.1 拖車及軌道系統(tǒng)

拖車是試驗(yàn)水池的主要設(shè)備，它拖曳模型達(dá)到試驗(yàn)要求速度，完成各項(xiàng)水動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。拖車主要由車架、中央測橋、驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、水平導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)、攝像和照明系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成，如圖5所示。

拖車軌道包括鋼軌、可調(diào)軌座、軌道梁。一般采用雙軌形式，即沿水池長度方向兩側(cè)池壁頂部鋪設(shè)鋼軌，采用工字型優(yōu)質(zhì)鋼，并間隔一定距離 (例如0.5 m)設(shè)置可調(diào)軌座，可以對(duì)軌道左右、高低方向進(jìn)行微量調(diào)整。

主要技術(shù)指標(biāo):最高車速、調(diào)速范圍、穩(wěn)速精度、啟動(dòng)加速度、制動(dòng)加速度、中央測橋升降行程、軌距、起重能力、行走驅(qū)動(dòng)方式、供電方式等。

5.2 造波及消波系統(tǒng)

試驗(yàn)水池造波系統(tǒng)的核心裝置是造波機(jī)，其式樣較多，主要有2種類型:一是推板式造波機(jī)，適用于淺水池;二是搖板式造波機(jī)，適用于深水池。目前，國際上先進(jìn)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(jī)，如圖6所示。多單元造波機(jī)是由許多獨(dú)立單元的搖板式造波機(jī)組成，當(dāng)這些多單元的造波機(jī)以相同的頻率、相同的擺幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且各單元造波機(jī)之間相位差為0時(shí)，則多單元造波機(jī)的作用與整體式的搖板式造波機(jī)相同，所造的波即為長峰波。若各單元造波機(jī)之間相位差相等且不為0時(shí)，則在水面造出的是與造波機(jī)板面構(gòu)成一定波向角的斜波。

為了消除波浪到達(dá)對(duì)岸時(shí)池壁的反射作用，在造波機(jī)對(duì)面的池壁前設(shè)置專門的消波裝置，例如池端消波灘、池側(cè)升降式消波器、造波機(jī)后部消能網(wǎng)，使造波機(jī)在水池中產(chǎn)生的波浪能夠穩(wěn)定地滿足試驗(yàn)的要求。

主要技術(shù)指標(biāo):最大波高、有義波高、波長、周期、浪向、波譜等。

5.3 造流系統(tǒng)

圖6 多單元蛇形造波機(jī)Fig.6 Multi-flap wave generator

試驗(yàn)水池的造流系統(tǒng)應(yīng)能模擬各種海流，目前國際上先進(jìn)的海洋工程水池均采用池外循環(huán)形式的造流系統(tǒng)，將漩渦、回流等擾動(dòng)在水池外就消除掉，以保證試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的流場的均勻度和湍流強(qiáng)度等特性滿足模型試驗(yàn)的要求。從圖7可以看出，水流由水池外的大功率水泵驅(qū)動(dòng)后，經(jīng)過管路和進(jìn)水廊道進(jìn)入水池，再經(jīng)過水池對(duì)面的出水廊道返回到管路中，形成一個(gè)完整的循環(huán)過程。另外，在水深方向上，將海洋深水試驗(yàn)池的造流系統(tǒng)分為相互獨(dú)立的數(shù)層，分布調(diào)節(jié)各層內(nèi)水泵所產(chǎn)生水流的流速，已達(dá)到在水池內(nèi)模擬不同的垂向剖面流速。

主要技術(shù)指標(biāo):表層流速、底層流速、整體平均流速、造流分層數(shù)等。

圖7 造流系統(tǒng)工藝示意圖Fig.7 Sketch map of current-generating system

5.4 造風(fēng)系統(tǒng)

試驗(yàn)水池的造風(fēng)系統(tǒng)通常由變頻儀、交流電機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)組、風(fēng)速儀以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。目前，大多數(shù)海洋工程水池普遍采用局部造風(fēng)的形式，其造風(fēng)系統(tǒng)通常由多個(gè)軸流式風(fēng)機(jī)并排組成，以保證造風(fēng)的穩(wěn)定區(qū)域足以覆蓋模型試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)范圍。造風(fēng)系統(tǒng)大多是可移動(dòng)式，便于產(chǎn)生不同方向的風(fēng)速(見圖8)。

主要技術(shù)指標(biāo):最大風(fēng)速、受風(fēng)范圍和高度、風(fēng)譜等。

圖8 矩陣式軸流風(fēng)機(jī)組Fig.8 Matrix wind-generating system

5.5 水深調(diào)節(jié)系統(tǒng)

船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的工作水深大小不一，跨越相當(dāng)大的范圍，水池的工作水深應(yīng)能根據(jù)具體船舶與海洋結(jié)構(gòu)物模型試驗(yàn)的要求，模擬不同水深的海域環(huán)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(duì)水深進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)方式為在假底下部安裝多根鋼纜，通過安裝在池邊的多個(gè)卷揚(yáng)機(jī)裝置調(diào)節(jié)鋼纜長度來實(shí)現(xiàn)假底的上下移動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水深的目的。

主要技術(shù)指標(biāo):假底面積、布置位置、升降行程、承載能力等。

圖9 大面積升降假底效果圖Fig.9 Large-scale water-depth regulation system

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(chǎn)流程復(fù)雜 (見圖10)。首先，運(yùn)進(jìn)場的木材需進(jìn)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(jìn)行機(jī)械下料，即根據(jù)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(jī)上凝固成型，以形成船模粗胚。然后，利用五軸數(shù)控切削機(jī)，對(duì)船模粗胚進(jìn)行銑削作業(yè)，滿足一定的精度要求。之后，將船模進(jìn)行精細(xì)化打磨，并在船模表層按工藝要求噴上底漆和面漆，達(dá)到高質(zhì)量的試驗(yàn)精度要求。最后，完工的船模被運(yùn)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開展測試儀器的安裝、調(diào)試作業(yè)。

圖10 模型制作工藝流程圖Fig.10 Process flow diagram of model manufacturing

7 結(jié)語

設(shè)計(jì)船舶與海洋工程試驗(yàn)水池是一項(xiàng)復(fù)雜而精細(xì)的系統(tǒng)工程，無論工藝設(shè)計(jì)還是工程設(shè)計(jì)都具有較強(qiáng)的科研探索性 (特別是造波、造流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試)，只有在充分理解和消化工藝的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用成熟可靠、經(jīng)濟(jì)適用的工程技術(shù)、設(shè)備、材料以及現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)理念，才能設(shè)計(jì)出完善的試驗(yàn)水池，在這方面還需要船舶科研機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位、施工單位的共同努力，三方面進(jìn)一步協(xié)調(diào)研究并提高。

自1953年我國第一座船舶與海洋工程試驗(yàn)水池建成以來，在20世紀(jì)80年代形成一股水池建設(shè)的小高潮。進(jìn)入21世紀(jì)特別是2008年之后，由于國家科技創(chuàng)新和海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)基礎(chǔ)科研設(shè)施投入了巨大的資金，掀起了較大規(guī)模的新建水動(dòng)力試驗(yàn)水池的高潮。目前，中船九院正不斷開拓水池設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)實(shí)力日臻完善，為我國船舶與海洋工程行業(yè)的發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。

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