海洋工程試驗水池配套設備工藝設計

【摘" " 要】：為加強深海試驗水池的配套設備技術研究，提供功能更全面的海洋研究平臺，總結了國內外試驗水池發展的現狀，結合三亞崖州深海科技創新平臺項目的海工試驗水池配套設備實例，介紹了相關設備工藝和智能化設備控制系統。

【關鍵詞】：試驗水池；海工環境；設備安裝

【中圖分類號】：TU991.343 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）02-78-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.02.020

Research on Technology of Equipment Installation of Ocean Engineering Test Pool

GAO Ruiqi1， ZHANG Qian1， LIU Xiaomin1， XU Hao2， YAN Maolei2， TIAN Buyuan1

（1.China Construction Sixth Engineering Bureau Co. Ltd.， Tianjin 300012， China；2.China Construction Sixth Bureau South China

Construction Co. Ltd.， Shenzhen 518101， China）

【Abstract】：For reinforce research on equipment installment of the deep-sea test pool， to build a more comprehensive Marine research platform. This paper summarizes the development of the test pool at home and abroad， illustrates the technical difficulties and installation process of the relevant equipment and intelligent equipment control system combined with the case of the marine engineering test pool of Sanya Yazhou deep-sea Science and technology innovation platform project.

【Key words】：test pool; marine environment; equipment installation

隨著海洋強國戰略的提出，海洋工程技術得到了快速發展，試驗水池作為船舶與海洋科學研究的重要平臺，是研究發展海洋工程技術必不可少的試驗手段。大型試驗水池按使用功能分為拖曳水池、耐波性操縱性水池、海洋工程水池等[1]。大型試驗水池的配套設備較多，包括拖車及軌道系統、造波及消波系統、造流系統、造風系統、水深調節系統等[2]，滿足設備的安裝精度，協調安裝作業面、合理銜接各個工序是實現試驗水池試驗功能的有利保障。

1 國內外試驗水池發展現狀

試驗水池作為船舶與海洋科學研究的重要設施平臺，在海洋科技研究發展過程中起到至關重要的作用，被廣泛建造于國內外研究機構[3]。

國外最早研究造波機系統且技術最為先進的國家有荷蘭、美國、挪威、俄羅斯、德國；此外，日本、韓國和澳大利亞在造波機系統研究方面同樣處于世界領先地位[4]。

荷蘭的MARIN試驗水池是世界著名的物理試驗綜合型水池，水池長170 m、寬40 m、深5 m，包含了減壓拖曳、海工、耐波操作等多種功能；水池長短側設置造波機，對側放置消波裝置，可實現任意方向規則和不規則波浪的生成，并可對不同波浪數據進行精準采集。英國愛丁堡大學的FLOWAVE試驗水池是世界級的環形物理試驗池，水池直徑30 m、深5 m，水池中間設有1 m的移動板，將水池分為上、下兩部分；上部為造波系統，該系統沿環向生成任意方向長峰波，在水池中心形成破碎波向上沖射；下部為造流系統，共28個造流單元，水流速度最快可達1.6 m/s。日本海上技術安全研究所試驗水池，最大水深35 m，是世界最深的試驗水槽之一，該實驗水池配備有世界上最大的牽引車，可用于測試超高速船和大型模型船。

在海洋工程技術上，雖然我國起步較晚，但隨著近年來國家戰略部署和政策支持，相關技術得到了快速發展。上海交通大學試驗水池作為我國第一個深水試驗水池，采用伺服電機驅動的搖板式造波機系統，通過布置電容式波高儀對波高數據進行采集，可完成可完成對物體的阻力試驗、螺旋槳的運動特性測試、耐波及操縱性試驗等。哈爾濱工程大學試驗水池配有多方向波浪的推板式造波機系統，并通過S面主動式消波策略省去了對側消波裝置，可完成大深度的海洋環境模擬。中國船舶科學702研究所擁有多種類型的試驗水池，其中耐波水池可模擬波高30 m的惡劣海洋環境，造波機采用濕背式電機驅動，對側設置拋物線形格柵式消波裝置，配有國內唯一可同時模擬傅氏數與空泡數的減壓拖曳試驗水池。但目前國內試驗水池大多功能較為單一，在深水海洋技術裝備研發實驗平臺上存在短板，對模擬特殊海洋海況上存在缺陷[5]。因此，急切需要建設更大尺度上適應為各類深海裝備研發、設計提供分析及預報支撐的物理的水池試驗平臺。

2 工程概況

三亞崖州深海科技創新平臺海工試驗水池長112 m，寬6 m、深7 m（其中水深6 m、干舷1 m），突破現有小型試驗設施的尺度效應難題，實現實尺度內波、漩渦、熱尾跡、剖面流及畸形波等特殊海洋環境的模擬。水池主要由水深調節升降假底系統、海洋內孤立波造波機系統、拖車及循環拖曳系統、深海波浪及畸形波造波系統、深海風模擬系統、快速密度分層系統、溫度分層系統等組成；并對標國際物理試驗室建立了一套智能化設備控制系統，包括畸形波造波及測量系統、水池試驗場造風系統、表面層流場流量測量系統、試驗水池閥門群自動控制系統等。見圖1。

3 主要設備工藝

3.1 升降假底系統

由平臺本體、拖曳系統、橫/縱向定位裝置、氣控系統、電控系統等組成，主要用于調節水深，以適應不同水深的模型試驗。因升降平臺位于分層流水池中且為海水環境，介質特殊，對結構材料選用要求高。平臺總長109 m、寬5 m，重量及尺度較大，分為4組，工作時需要保持高精度同步升降。

機構升降采取平臺自身浮力與卷揚機構牽引力巧妙結合，調節平臺升降并實現垂直方向上高精度定位。系統中獨創的剪刀叉機構，不需要借助池壁空間，可實現整個平臺在橫向和縱向的準確定位及鎖緊。見圖2。

3.2 拖車系統

由拖車主體結構、中央測橋系統、驅動系統、制動系統、導向系統、測速系統、滑觸線供電系統、軌道系統、控制系統等組成，是用來完成拖曳水池快速性試驗的必備設備。拖車系統尺寸為8 m（長）×7 m（寬）×1 m（高），質量20 t。

拖車的組成構件均為非標構件，不同部件材料及加工工藝差別較大，因此對加工精度要求較高；同時對土建基礎變形量、軌道本身變形量、軌道的加工都提出了極高要求。

3.3 內孤立波造波系統

由造波車主體結構、驅動系統、制動系統、導向系統、測速系統、滑觸線供電系統、軌道系統、控制系統等組成，是該實驗室的核心設備，可實現大尺度內孤立波造波。

造波車與拖車結構類似，造波車具備除了和拖車相同的難點外，還需要克服5 m水深造波板運動水阻力引起的大彎矩14 000 N·m，對造波車及軌道板的強度、剛度要求較高。造波車速度控制為非定常調速，需要對重載造波車快速響應控制，動態響應高，控制難度較大。

3.4 循環拖曳系統

由龍門架系統、定深調節系統、張緊系統、拖曳動力系統、控制系統等組成，是在溫鹽分層環境下實現無擾動拖曳試驗的必備設備。

系統跨度為80 m，跨度較大，對拖曳控制精度要求較高。工作中需要在有限空間內，定深、拖曳、張緊三套復雜系統高精度、聯動作業，因此控制難度較大。

4 智能化設備控制系統

4.1 畸形波造波及測量系統

可分為機械、電控、軟件3部分組成。采用寬0.5 m、高3 m、最大浸水深2.5 m的造波板，搖板式造波，末端利用30°斜坡消波；造波控制系統采用“全域”非線性造波技術，可解決機械系統中一個或多個坐標上的運動以及運動之間的協調，實現精確的位置控制、速度和加速度控制、轉矩和力的控制，解決了平面異形復雜造波平臺的波浪模擬問題。見圖3。

4.2 水池試驗場智能造風系統

造風風陣結構安裝在水池上方，設置搭載機構，搭載機構設置行走輪及固定結構，可搭載風陣結構在水池上方行走，并根據實驗要求移動到實驗區域進行造風，搭載結構行走利用拖車軌道。實施造風流量動態控制，通過智能化操作系統，實現對造風機風量的實時調控，預先設置目標風量閾值，當風量達到目標值時，風機暫停運行。見圖4。

4.3 表層流場流量測量系統

采用定制超聲探頭，應用脈沖的發射方式，取代了連續的發射方式。發射器不斷的發射周期性小脈沖，連續接收來自目標物反射的回聲。通過對采集到的回聲和發送的脈沖比較，計算出相位的改變，從而得到目標運動速度，流速分辨率可達0.1 mm/s，可同時測量正負流向的速度，輸出瞬時信息和平均信息，采集頻率快、測量精度高，具有極佳地時空同步性。

4.4 試驗水池閥門群自動控制系統

試驗水池內兩套流量控制系統包括冷卻循環水流量控制系統和密度分層淡水補水流量控制系統，利用閉環控制原理實現對流量的精確控制。系統主要設備包括：上位機、綜合控制箱、電磁流量計、閥門、變頻器和水泵等；其中電磁流量計、閥門安裝在試驗水池供水管道上，閥門布置在電磁流量計的下游。見圖5。

5 結語

試驗水池建設是一個復雜的系統工程，各系統之間相互影響又相輔相成，后續需要做好土建施工和設備安裝，以保證設備精度。

參考文獻：

[1]唐勇，徐劍，茅寶章.船舶與海洋工程試驗水池工藝設計[J].艦船科學技術，2015，37（S1）：143-148.

[2]陳志法，李超，吳祺佑，等.如何做好試驗水池設備安裝與土建施工配合管理[J].山西建筑，2021，47（11）：189-191.

[3]楊大明.水池建設回顧與展望[J].中國高新技術企業，2008，（18）：189-190.

[4]麥萬庚.基于多軸耦合位置同步運動控制的搖板式造波機造波策略研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2021.

[5]田野. 搖板式造波機系統的研究[D].荊州：長江大學，2020.

課題項目：中建股份科技研發課題（CSCEC-2021-Z-38）

作者簡介：高瑞琪， 碩士， 工程師， 從事施工技術研究工作。