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“仿真海洋”,我国首座海洋深水试验池

webmaster 2023-6-29 13:262346 人围观 原作者: webmaster

简介 :海洋深水试验池的建成,标志着中国成为世界上具备海洋工程深水综合试验研究能力的三个国家之一。它是中国发展深海工程技术不可或缺的大型核心科研设施,其创新设计与建造被公认为中国近年来为世界海洋工程界所瞩目的 ...
我们知道,飞机的试验离不开风洞,同样,海洋工程、船触和深潜器的模型测试也需要在各种特殊设计的水池中进行。我国自然也有这种深水试验池,其中不得不提的便是我国首座海洋深水试验池,该水池可模拟水深及风浪流等复杂海洋环境,规模、功能和装备水平优越,是我国发展深海工程技术不可或缺的大型核心科研设施。
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海洋深水试验池是研制海上平台、船舶和深潜器等不可或缺的重要科研设施

研制背景

现在世界上已经有很多模拟水面环境的水池,而模拟深海环境的深水试验池却很少。海洋深水试验池能够对深海海洋工程设备的运动及受力进行模拟试验,也就是测试海上平台、船舶和深潜器等在风、浪、海流作用下的反应和抵抗能力。在工程设计中,深水试验池可以创造最接近实际深海环境的测试条件,为设计工作和行业标准制定提供宝贵数据。尽管如今计算机模拟日益发达,很多实验都可以通过计算机模拟实现,但实物模型测试仍不可替代。

正是由于海洋深水平台在船舶与海洋工程行业技术发展领域不可替代的作用,它越来越受到世界各国的重视。我国在2005年的时候开始将海洋深水试验池列入国家高技术产业发展计划重点建设项目,并由国家发改委、上海市政府、上海交通大学和中国海洋石油总公司联合投资1.2亿元设计建造。经过三年多的艰苦攻关,我国的首座海洋深水试验池于2008年底全面完工并投入试运行。试验池除了能够测试海洋平台和船舶抵抗恶劣海洋环境的性能,还能满足石油、天然气,多金属结核等深海资源开发工程的模拟试验需要,并作为深海潜水器、水下管线工程等技术的测试平台。
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我国首座海洋深水试验池

深水试验池的结构

我国建造的海洋深水试验池由水池主体和一个深井组成,水池主体的有效工作尺寸为长50米、宽40米、最大工作水深10米,水深可在0~10米范围内任意调节。在水池中央有一个直径5米的圆柱形垂直深井,最大工作深度可达40米。如果用1:100的模型进行试验,最多可模拟4000米的深海环境。深井内壁都是用高强度、高抗渗材料制成,倾斜度被严格控制在千分之一以内,底部也可以上下调节。

试验池水深的调节是通过一个可升降的池底来实现的,设计时巧妙地利用了水的浮力,而不需要任何的起重装置。这个可升降池底其实上是由多个密度比水小的空心浮箱组成的,上浮时只需将一个起固定作用的的抱紧装置放开,借助浮力便可自动浮起。下降则是通过电机拉动浮箱底部的6根拉杆,到了所需位置就启动抱紧装置将池底固定住。这样,通过池底的升降便可以调出各种试验所需的不同水深,也便于安装、检修各种实验设备。

由于海水腐蚀性较大,密度又不易控制均匀,因此整个“仿真海洋”中都是经过净化的普通自来水。在试验结果分析中,还需要通过换算消除淡水与海水的密度差。
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正在进行模拟试验的海洋深水试验池

风浪是怎样产生的

在海洋环境的模拟过程中,各种风浪、洋流的因素是不可忽略的重要因素。这座深水试验池装有各种各样的设备,能够制造出辽阔海洋中的狂风大作、巨浪汹涌,海底的各种洋流,逼真地模拟各种海洋环境。

试验池配备了一套可移动式的造风系统,能在水池中产生任意方向的定常风或风谱(非定常风),能够模拟各种方向、高度和强度的海风,甚至能造出飓风的效果。最大风速为10米/秒。试验时既可安放在池边,也可装在有升降功能的大跨度拖车上。

在试验池的北侧和东侧池壁上,装有两台从荷兰进口的多单元造波机,这种多单元造波机每台都装有222块造波板,各由一台电机独立驱动。运行时,每块造波板按照事先编好的造波程序随时变化自己的角度、转速,以模拟水中的各种波浪形态。借助两台造波机的叠加效果,这套设备能造出接近自然海浪的三维波,包括最高可达0.5米的规则波浪。对1:100的模型而言,这就相当于50米高的巨浪,足以模拟最恶劣的海况。这套造波程序不仅可用于模型的抗风浪试验,也能用来研究波浪本身的生成机理。考虑到海浪的产生并非完全有规律可循,造波程序在编写时还加入了一些随机因子,以尽可能模拟大自然中的不规则波。与大海中不同的是,波浪在封闭水池中会来回荡漾,把造波机生成的水波搅得一团糟,使试验难于预测、分析。为此,两台造波机对面的池壁各延伸出一段坡度平缓、底部采用消波结构的消波滩。这就像潮水打在沙滩上一样,水波到达消波滩后也会迅速消解能量,打在滩头的水则会直接流入落水槽中,以免干扰后续波浪。
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在海洋环境的模拟过程中,各种风浪、洋流的因素是不可忽略的重要因素



为了制造水下“暗流涌动”的效果,试验池从上到下还安装有6层喷水造流设备,通过水流的外循环来模拟剪切流等复杂海流情况。在10米深度范围内的均匀流速可达到0.1米/秒。

这套系统的自主化程度很高,除了两台造波机从荷兰进口以外,试验池中的风、浪、流等子系统大部分都是自主研发的。我国自己编写的造波程序,不仅可用于模型的抗风浪试验,也能用来研究波浪本身的生成机理。目前,研究人员还在开发能生成更高波浪的造波程序,这样可用比例较小的大体积模型,进一步提高模拟能力。

结语

海洋深水试验池的建成,标志着中国成为世界上具备海洋工程深水综合试验研究能力的三个国家之一。它是中国发展深海工程技术不可或缺的大型核心科研设施,其创新设计与建造被公认为中国近年来为世界海洋工程界所瞩目的重要进展和成就。

(本站转自“兵工科技快讯”公众号)
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