唐　勇， 徐　猛， 李華梅， 黃凌寅， 徐　劍

(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(chǎng)水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海 200063)

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船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室工程設(shè)計(jì)研究

唐勇1,2， 徐猛1， 李華梅1,2， 黃凌寅1， 徐劍1

(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(chǎng)水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海 200063)

摘要本文在總結(jié)中船九院公司諸多水池工程案例的基礎(chǔ)上，梳理了船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路，比較完整闡述了該類(lèi)型水池工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，包括水池主尺度、水工結(jié)構(gòu)工程、建筑結(jié)構(gòu)工程、主要工藝系統(tǒng)等，最后通過(guò)工程案例介紹了拖曳水池的建設(shè)規(guī)模和投資估算的確定方法。

關(guān)鍵詞拖曳水池主尺度船模長(zhǎng)度建設(shè)規(guī)模投資估算

Investment estimation

0引言

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(zhuān)業(yè)設(shè)施，可進(jìn)行阻力、敞水、流線(xiàn)、伴流場(chǎng)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)、最重要的科研設(shè)施。

船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室包括試驗(yàn)水池、模型安裝調(diào)試區(qū)域、儀器控制及數(shù)據(jù)采集區(qū)域、公用動(dòng)力區(qū)域等部分，其建設(shè)規(guī)模及造價(jià)主要由水池主尺度、水工結(jié)構(gòu)工程、建筑結(jié)構(gòu)工程、主要工藝系統(tǒng)等因素控制。

1建設(shè)規(guī)?？刂埔蛩?/p>

1.1水池主尺度

拖曳水池是一個(gè)永久性建筑物，一旦建成以后，除了長(zhǎng)度有可能接長(zhǎng)外，水池寬度和深度是無(wú)法改變的，所以在決定主尺度時(shí)，考慮到目前使用及今后可能的發(fā)展趨勢(shì)，其主要尺度取決于縮尺比和船模大小的選擇。

1.1.1試驗(yàn)水池長(zhǎng)度

現(xiàn)代試驗(yàn)水池多采用等速度方法進(jìn)行阻力測(cè)試，它的使用范圍廣泛，且便于采用新的試驗(yàn)技術(shù)。當(dāng)確定水池長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)拖車(chē)的最大設(shè)計(jì)速度，計(jì)算加速段、穩(wěn)定段、測(cè)量段和制動(dòng)長(zhǎng)度，另計(jì)入造波機(jī)段、消波灘段等長(zhǎng)度[1]。此外，水池總長(zhǎng)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。

1.1.2 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)的論證相對(duì)于長(zhǎng)度要復(fù)雜得多，主要考慮的是阻塞因素。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?xún)?nèi)。

另外，試驗(yàn)水深與船模吃水、最大波長(zhǎng)相關(guān)，一般應(yīng)大于50%的最大波長(zhǎng)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)不小于10倍的船模寬度[2]。

1.2水工結(jié)構(gòu)工程

水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要分為兩部分——池墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水池底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是與一般的擋土墻結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的顯著區(qū)別是水池結(jié)構(gòu)還具有更嚴(yán)格的擋水、導(dǎo)水、防滲要求，并且水池結(jié)構(gòu)所受外荷載比較復(fù)雜，工況較多。選擇合適的結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到工程造價(jià)、施工進(jìn)度以及周?chē)h(huán)境的安全。設(shè)計(jì)中需對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)、工期等因素的綜合分析對(duì)比，最終確定優(yōu)選方案。

1.2.1水池池墻結(jié)構(gòu)

水池池墻是水池的重要組成部分之一，其結(jié)構(gòu)型式往往與巖土工程條件、建造方法密切相關(guān)。水池池墻常用的結(jié)構(gòu)型式有重力式、樁基承臺(tái)式、襯砌式、混合式和板樁式等。在土壓力、墻前后水壓力、滲透壓力、浮托力、工藝荷載等作用下，池墻除具有足夠的強(qiáng)度外，還需要有足夠的抗滑移和抗傾覆的穩(wěn)定性。圖1為船模拖曳水池池墻常用結(jié)構(gòu)型式。

圖1　船模拖曳水池池墻常用結(jié)構(gòu)型式

1.2.2水池底板結(jié)構(gòu)

水池底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為水池地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，底板通常需要承受自重、水壓力、浮托力、試驗(yàn)荷載等作用力。大多數(shù)水池需要有檢修工況，當(dāng)水池有排空工況時(shí)，?？紤]在水池底板下設(shè)置減壓排水層，以減少浮托力對(duì)水池底板結(jié)構(gòu)的不利影響。當(dāng)水池承載較大，或工藝要求較高，淺基礎(chǔ)底板方案已經(jīng)不能滿(mǎn)足使用要求時(shí)，水池底板下常設(shè)置樁基礎(chǔ)，水池樁基礎(chǔ)一般選擇PHC管樁和鉆孔灌注樁。

現(xiàn)在水池建設(shè)項(xiàng)目中拖車(chē)軌道承受的荷載越來(lái)越大、軌道精度要求越來(lái)越高，拖車(chē)軌道地基不均勻沉降的出現(xiàn)，會(huì)嚴(yán)重影響拖車(chē)的使用功能和測(cè)試精度，因此水工結(jié)構(gòu)應(yīng)嚴(yán)格控制池體不均勻沉降。另外，大體積混凝土在水池工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，隨之而來(lái)的裂縫控制問(wèn)題應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視，這也是水池設(shè)計(jì)中的重要控制因素和技術(shù)難點(diǎn)。

1.3建筑工程

1.3.1建筑設(shè)計(jì)

通過(guò)工藝專(zhuān)業(yè)對(duì)試驗(yàn)水池主尺度論證，建筑專(zhuān)業(yè)根據(jù)模型安裝調(diào)試區(qū)的大小，按工藝設(shè)備外形尺寸和具體工藝布置需要，初步確定實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)度。根據(jù)以往工業(yè)車(chē)間的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常大中型車(chē)間跨度在27 m以上，中小型車(chē)間跨度為24 m～33 m。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(zhuān)業(yè)討論后確定。實(shí)驗(yàn)室的高度要滿(mǎn)足模型和測(cè)試設(shè)備等的安全進(jìn)出和起吊要求，同時(shí)須滿(mǎn)足大型拖車(chē)的運(yùn)行凈空要求。

船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室一般為單層戊類(lèi)工業(yè)建筑，為保證相對(duì)穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境和池內(nèi)水質(zhì)，需要開(kāi)設(shè)高窗采光并加設(shè)遮陽(yáng)措施，同時(shí)還需設(shè)置百葉窗用于通風(fēng)。由于水池內(nèi)濕度大，應(yīng)盡量避免屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)露和腐蝕。實(shí)驗(yàn)室屋面可采用外保溫系統(tǒng)，減少外界氣候?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的影響，防止內(nèi)表面結(jié)露，同時(shí)響應(yīng)建筑節(jié)能的要求。

1.3.2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室橫向一般采用排架結(jié)構(gòu)，柱子可采用矩形鋼筋混凝土格構(gòu)柱，屋蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土折線(xiàn)形屋架等。車(chē)間縱向一般設(shè)置若干道伸縮縫，將車(chē)間分成幾個(gè)結(jié)構(gòu)單體，每個(gè)單體長(zhǎng)度不宜超過(guò)100 m，砌塊墻體的伸縮縫設(shè)置在每個(gè)結(jié)構(gòu)單體的兩側(cè)和中部。以上結(jié)構(gòu)單體的伸縮縫、砌塊墻體位于結(jié)構(gòu)單體兩側(cè)的伸縮縫均應(yīng)滿(mǎn)足抗震縫的要求。

當(dāng)屋蓋采用預(yù)應(yīng)力混凝土折線(xiàn)形屋架時(shí)，每個(gè)結(jié)構(gòu)單體的兩端設(shè)置屋架橫向上弦支撐和下弦支撐，在屋架跨中及柱列處沿縱向設(shè)置屋架上、下弦剛性系桿，并在屋架跨中的縱向兩端設(shè)置垂直支撐，在縱向柱列的兩端和柱間支撐處設(shè)置垂直支撐。圖2為某船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室建筑效果圖。

圖2　某船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室建筑效果圖

1.4主要工藝系統(tǒng)

1.4.1拖車(chē)及軌道系統(tǒng)

拖車(chē)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(chē)主要由車(chē)架、中央測(cè)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3所示。

圖3　拖車(chē)及軌道系統(tǒng)

拖車(chē)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(zhǎng)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(chē)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(cè)橋升降行程、軌距、起重能力、行走驅(qū)動(dòng)方式、供電方式等。

1.4.2造波及消波系統(tǒng)

試驗(yàn)水池通常所用的造波設(shè)備有搖板式造波機(jī)、推板式造波機(jī)等。目前使用較為普遍的是搖板式造波機(jī)。搖板式造波機(jī)的主體部分是一框架式板塊結(jié)構(gòu)，其下緣與固定支座鉸接，如圖4所示。在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，造波板繞支座上的鉸接點(diǎn)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使板面前方的水抬高或下降，在水面上形成波浪。調(diào)節(jié)或控制搖板的擺幅和周期(頻率)，可以產(chǎn)生不同波高和波長(zhǎng)的波浪。搖板式造波機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較小。若采用伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，即可調(diào)頻，又能調(diào)幅，用于造不規(guī)則波比較方便。

為了消除池壁對(duì)波浪的反射作用，在水池內(nèi)部設(shè)置專(zhuān)門(mén)的消波裝置，例如固定式消波灘、升降式邊消波器、造波機(jī)消能網(wǎng)等，使造波機(jī)在水池中產(chǎn)生的波浪能夠穩(wěn)定地滿(mǎn)足試驗(yàn)精度的要求。

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

2工程案例

2.1項(xiàng)目概況

國(guó)內(nèi)某水產(chǎn)工學(xué)研究所規(guī)劃在上海地區(qū)新建一座船模拖曳水池，主要用于新型漁船的開(kāi)發(fā)、漁船適航性和漁船船型的改善，以及相關(guān)的流體力學(xué)研究，工程造價(jià)預(yù)算約9 000萬(wàn)元。該所提供典型試驗(yàn)船型及主要參數(shù)(見(jiàn)表1)，表中下標(biāo)s及m分別表示實(shí)船和模型。

圖4　多單元搖板式造波機(jī)

序號(hào)船型總長(zhǎng)Ls/m型寬Bs/m型深Ds/m吃水ds/m航速Vs/kn弗勞德數(shù)Fr1大型漁政船15016.596.5300.402超高速漁政艇386.73.12.2401.073大型拖網(wǎng)加工漁船120.71912.28150.224遠(yuǎn)洋秋刀魚(yú)船76.711.37.44.314.20.275遠(yuǎn)洋魷魚(yú)釣船74.411.374.312.80.246冷藏運(yùn)輸船7411.46.24.213.50.267大型圍網(wǎng)漁船70.612.37.34.814.450.288玻璃鋼延繩釣船39.973.72.911.60.30

2.2水池主尺度及主要參數(shù)

正確選定一個(gè)合適的船?？s尺比是船模水動(dòng)力性能試驗(yàn)的首要任務(wù)。例如，當(dāng)船模與實(shí)船的縮尺比確定后，船模上的各物理量就可以按一定縮尺比λ的關(guān)系式換算為實(shí)船上相應(yīng)的物理量。因而，船模大小是考慮船模縮尺比的關(guān)鍵因素[3]。根據(jù)最大船模加工能力，選擇4～12 m長(zhǎng)度的船模計(jì)算最大拖曳速度，如表2所示。

表2　拖車(chē)最大拖曳速度計(jì)算表

注：研究船舶性能時(shí)要求曲線(xiàn)延伸，故考慮1.2倍的速度儲(chǔ)備[4]。

根據(jù)船模拖曳水池主尺度論證方式，確定試驗(yàn)水池的長(zhǎng)度、寬度、試驗(yàn)水深、最大波高、干舷高度等參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　水池主尺度及主要參數(shù)匯總表　單位：m

2.3實(shí)驗(yàn)室主尺度

在試驗(yàn)水池主尺度論證結(jié)論的基礎(chǔ)上，初步確定實(shí)驗(yàn)室的主尺度，如表4所示。

2.4工程投資估算

按照我國(guó)規(guī)定，從滿(mǎn)足建設(shè)項(xiàng)目投資設(shè)計(jì)和投

表4　實(shí)驗(yàn)室主尺度的確定　　　單位：m

資規(guī)模的角度，建設(shè)項(xiàng)目投資估算包括固定資產(chǎn)投資估算和流動(dòng)資金估算兩部分，它們是保證項(xiàng)目建設(shè)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)正常進(jìn)行的必要資金[5]。由于篇幅限制，此處僅關(guān)注固定資產(chǎn)投資估算。

固定資產(chǎn)投資估算內(nèi)容按照費(fèi)用的性質(zhì)劃分，包括建筑安裝工程費(fèi)、設(shè)備及工器具購(gòu)置費(fèi)、工程建設(shè)其他費(fèi)(不含流動(dòng)資金)、基本預(yù)備費(fèi)等[6]。船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室工程投資估算如表5所示。

表5　船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室工程投資估算

根據(jù)各船模長(zhǎng)度的工程投資估算，繪制工程投資分析圖(見(jiàn)圖5)、投資構(gòu)成比例分析圖(見(jiàn)圖6)，在工程投資預(yù)算9 000萬(wàn)元的控制紅線(xiàn)下，即可得出Lm=8 m船模為該工程項(xiàng)目的最佳建設(shè)規(guī)模。另可發(fā)現(xiàn)，隨著船模長(zhǎng)度的增加，工程投資規(guī)模呈指數(shù)型增長(zhǎng)，這主要為水工結(jié)構(gòu)工程費(fèi)用的大幅度增加。同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)工程、公用安裝工程和工藝設(shè)備投資比例呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)。

圖5　工程投資分析圖

圖6　投資構(gòu)成比例分析圖

3結(jié)論

(1) 船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)模及造價(jià)主要由水池主尺度、水工結(jié)構(gòu)工程、建筑結(jié)構(gòu)工程、主要工藝系統(tǒng)等因素控制。

(2) 正確選定一個(gè)合適的船?？s尺比是規(guī)劃新建船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室的首要任務(wù)，而船模大小是考慮船?？s尺比的關(guān)鍵因素，且船模大小直接影響到實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)模。

(3) 隨著船模長(zhǎng)度的增加，工程投資規(guī)模呈指數(shù)型增長(zhǎng)，這主要表現(xiàn)為水工結(jié)構(gòu)工程費(fèi)用的大幅度增加。同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)工程、公用安裝工程和工藝設(shè)備投資比例呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)。

本研究成果可作為船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程在立項(xiàng)或可行性研究階段總體設(shè)計(jì)的參考。

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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

中圖分類(lèi)號(hào)U661

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：唐勇(1983-)，男，工程師。研究方向?yàn)樗ぜ疤胤N工程工藝設(shè)計(jì)。