基于海洋儀器設備的動力環(huán)境實驗模擬

王項南，路 寬，李 彥，熊 焰，李 超，楊 磊，宋雨澤，朱曉陽

（國家海洋技術中心，天津 300112）

基于海洋儀器設備的動力環(huán)境實驗模擬

王項南，路 寬，李 彥，熊 焰，李 超，楊 磊，宋雨澤，朱曉陽

（國家海洋技術中心，天津 300112）

海洋動力環(huán)境實驗模擬是海洋環(huán)境監(jiān)測技術、海洋能開發(fā)技術研究的基礎，其目的是為海洋儀器設備的研制與測試提供模擬的實驗環(huán)境。實驗模擬動力環(huán)境參數(shù)的確定是關鍵，根據(jù)海洋儀器設備（包含海洋監(jiān)測儀器設備與海洋可再生能源開發(fā)利用設備等）的需求以及我國沿海實際風、浪、流的特征，確定了實驗模擬的相關參數(shù)。

海洋動力環(huán)境；實驗模擬；海洋監(jiān)測設備；海洋能開發(fā)設備

我國是海洋大國，海洋資源、能源開發(fā)潛力巨大。在海洋開發(fā)的過程中，海洋環(huán)境監(jiān)測技術、海洋開發(fā)技術等高新技術的研發(fā)和發(fā)展是促進海洋可持續(xù)開發(fā)利用的關鍵環(huán)節(jié)。國家對我國海洋事業(yè)和海洋科技的發(fā)展給予高度重視，從2003年國務院印發(fā)的新中國第一個《全國海洋經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃綱要》開始，到《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》、《國家“十一五”科學技術發(fā)展規(guī)劃》，以及2008年國務院批準的《國家海洋事業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》，再到《全國科技興海規(guī)劃綱要（2008—2015年）》都明確指出要大力發(fā)展海洋事業(yè)和海洋科學技術。目前，我國已初步建立了基本完善的海洋高新技術研究開發(fā)體系，并在海洋環(huán)境監(jiān)測技術、儀器設備制造、海洋資源開發(fā)技術等方面取得了一系列重大海洋科技成果，為我國海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了一定基礎。

海洋動力環(huán)境模擬實驗是海洋環(huán)境監(jiān)測技術、海洋能開發(fā)技術研究的基礎。目前，國內(nèi)涉?；蛏嫠到y(tǒng)的有關部門和單位，都根據(jù)自身的行業(yè)特點，建有相應的船模水池、水動力模擬水池、流速檢定水池等實驗設施與實驗測試體系，用于艦船制造技術的研究開發(fā)、水科學研究、油氣平臺研究等。但是，國內(nèi)至今還沒有具備適用于海洋儀器設備研究、開發(fā)及專門用于海洋科學研究的多功能實驗平臺及實驗測試體系，這直接影響、制約了我國海洋環(huán)境監(jiān)測水平的提高和海洋科學技術的創(chuàng)新與發(fā)展。同時，由于我國海洋技術研發(fā)和發(fā)展水平與發(fā)達國家相比明顯滯后，海洋環(huán)境監(jiān)測領域雖然自行研制了一些儀器，但大都沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，大部分設備還需進口，其重要原因之一是海洋監(jiān)測技術成果轉化的中間環(huán)節(jié)嚴重缺位，如缺乏中試實驗、示范基地、公共實驗平臺等，使很多技術成果無法從實驗室走向應用，影響了海洋高技術產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外實驗水池

在動力環(huán)境實驗研究領域，國外經(jīng)過了從船模實驗研究到海洋工程模型動力環(huán)境實驗研究的歷程。在海洋動力環(huán)境實驗中，船模實驗研究一般只是單要素實驗，如涉及浪、流的實驗項目時，分別開展，然后進行疊加，忽略了風、浪、流等海洋動力要素之間的相互作用；而海洋工程模型動力環(huán)境實驗則注重于風、浪、流的同時實驗，這樣更加接近實際海況。在荷蘭、挪威、美國、日本、加拿大等海洋科技發(fā)達的國家，海洋深水實驗池都是作為發(fā)展海洋高新技術的一種必不可少的配置基礎研究設施，國外一些重要的實驗室設施及主要設備配備見表1。

1.2 國內(nèi)實驗水池

我國目前具有風、浪、流海洋環(huán)境動力要素的實驗水池，主要是為了船舶和海洋工程技術領域而建造，其共同的特點是建設規(guī)模較大、建設與運營成本較高。船模水池一般較長，注重船舶的靜水阻力實驗，具有拖曳功能；而海洋工程水池，注重浪、流、風耦合作用的影響，水池形狀近似為正方形，長度較短。國內(nèi)主要大型水池情況如表2所示。

1.3 需求分析

隨著我國海洋事業(yè)的快速發(fā)展，對海洋環(huán)境監(jiān)測儀器設備的需求越來越多，對海洋可再生能源的需求也越來越迫切。但由于國內(nèi)目前缺乏海洋動力環(huán)境實驗室，大部分儀器設備只能依靠在實際海況中進行檢驗，加上不同海域實際海況又有區(qū)別，使檢測工作難度大、成本高，許多儀器設備性能往往檢測不全，造成部分監(jiān)測數(shù)據(jù)失真或儀器設備投入運行后性能不穩(wěn)定，已影響到我國海洋環(huán)境監(jiān)測儀器設備與海洋能發(fā)電等系統(tǒng)的研究和產(chǎn)品質量的提高。

表1 國外一些重要的實驗室設施及主要設備配備

表2 國內(nèi)主要大型水池情況一覽

海洋儀器設備既有和船舶外形相似的走航式如AUV等，也有和海洋石油平臺相似的錨泊浮標和固定在海底的海洋能發(fā)電系統(tǒng)，所以，海洋儀器設備的實驗平臺應該綜合船模和海洋工程水池的功能，才能夠滿足實驗的需要。海洋動力環(huán)境實驗平臺可以模擬我國不同海域多種海洋動力環(huán)境,對海洋儀器設備的各項性能進行實驗與測試，在降低檢測成本、提高我國海洋儀器設備質量控制能力的同時，也能及時發(fā)現(xiàn)儀器設備存在的問題或缺陷，為研發(fā)、改進儀器設備的質量、性能提供依據(jù)。同時，能夠為海洋可再生能源開發(fā)利用技術提供動力環(huán)境實驗平臺，開展室內(nèi)實驗與測試，提供能量轉換效率測試和評價實驗的條件，可加快我國海洋能開發(fā)相關技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，促進我國海洋再生能源開發(fā)。

2 海洋動力環(huán)境實驗模擬參數(shù)確定方法

風、波浪與海流是典型的海洋動力環(huán)境的影響因子，由風、波浪與海流形成的極端海況，影響了海洋儀器設備的正常工作，甚至造成損壞或毀壞。海洋動力環(huán)境實驗是采用物理模擬的技術手段，在實驗室一定規(guī)格的水池內(nèi)再現(xiàn)風、浪、流等海洋環(huán)境。而海洋儀器設備的種類繁多，主尺度和重量差異較大，為了能夠更加真實的進行海洋動力環(huán)境模擬實驗，首先需要研究海洋儀器設備的主要類型和工作方式，然后再根據(jù)我國沿海風、波浪與海流的特征確定實驗模擬的關鍵參數(shù)。

2.1 海洋儀器設備的主要類型和工作方式

海洋儀器設備（包含海洋環(huán)境監(jiān)測設備與海洋可再生能源開發(fā)利用設備等）按其布放、安裝與工作方式大體可劃分為海底固定、錨系漂浮與走航三種類型，因此主要實驗（研究）方向為此三種類型的海洋儀器設備研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化過程中的物理模型實驗，主要實驗與測試內(nèi)容見表3。

表3 主要實驗（研究）方向

2.2 縮尺比與動力環(huán)境參數(shù)設計

2.2.1 我國海洋實際風、浪、流情況

（1）風 我國位于亞洲東部，瀕臨太平洋，是世界上著名的季風國家之一；又是強大的太平洋臺風途經(jīng)的地方。特別是我國東南沿海各省和臺灣省，每年都不同程度的受到臺風的影響。因此，設計最大風速70 m/s，相當于17級以上風級，作為實際海洋環(huán)境指標。

（2）波浪 波向、波高和波周期是描述波浪的主要因素，我國沿海波高的變化規(guī)律受季風的影響，南北變化不一。資料顯示，冬季在渤海海峽出現(xiàn)過8 m以上的大浪。臺灣海峽由于峽管效應大浪很多，高達9.5 m以上，而臺灣北部沿岸可達15 m巨浪。夏季受偏南季風影響，粵東、粵西沿岸，最高可達9.8 m，西沙最大波高達10 m。波浪周期的分布規(guī)律為，由渤海、黃海至東海，北小南大，而南海沿岸一帶周期一般偏小。資料顯示，我國最大波浪周期發(fā)生在浙閩沿岸，平均周期在5 s以上，最大周期達到19.8 s。根據(jù)我國沿海的波浪參數(shù)，設計最大波高20 m，波周期35 s，作為實際海洋環(huán)境指標。

（3）流 渤海流速一般小于0.77 m/s，北部的老鐵山水道流速可達2.5 m/s以上。黃海近岸潮流流速一般為0.5～1.0 m/s。黃海西部的強流區(qū)出現(xiàn)在成山頭附近，達1.5 m/s以上，呂泗、小洋口及斗龍港以南水域，最大流速可達3.1 m/s以上。東海潮流在浙閩沿岸可達1.5 m/s，長江口、杭州灣、舟山群島附近為中國沿岸潮流最強區(qū)，可高達3.0～3.5 m/s以上，如岱山海域的龜山水道，潮流速度最高達4 m/s。九州西岸的某些海峽、水道中的流速，也可達3.0 m/s左右。南海的潮流較弱，大部分海域不到0.5 m/s。北部灣屬強流區(qū)，也不過1 m/s左右，瓊州海峽潮流最強可達2.5 m/s。世界最大速度超過5 m/s，英國部分河口流速在3.5～4 m/s。根據(jù)上述調(diào)查，確定設計流速4 m/s，作為實際海洋環(huán)境指標。

2.2.2 縮尺比

海洋儀器設備動力環(huán)境實驗技術指標是依據(jù)實際海洋動力環(huán)境如風、浪、流的參數(shù)提出，按照一定的實驗模型縮小比例，確定實驗模擬動力環(huán)境參數(shù)，作為動力環(huán)境實驗的設計參數(shù)。

相似理論是指導模型實驗研究以及預報實體動力性能的基本理論。模型和實體兩個系統(tǒng)應該滿足幾何、運動和動力相似，而聯(lián)系模型和實體兩個系統(tǒng)的重要參數(shù)就是縮尺比?？s尺比的確定主要是依據(jù)水池建設規(guī)模、海洋儀器設備實際工作海況、以及儀器設備實物或物理模型尺寸的大小來確定。在縮尺比的設計方面，如果縮尺比較大，會影響物理模型實驗的真實性；而過小的縮尺比，當設備尺度較大時，又不能開展相應的實驗。由于海洋儀器設備種類繁多、功能各異，其重量和主尺度差別較大，因此需要合適范圍的縮尺比。

目前在海洋儀器設備的研究中，國際上通用的物模縮尺比范圍為1：1～1：50。由于海洋能發(fā)電系統(tǒng)的尺度較大，因此將其作為論證目標。2008年剛剛投入運轉的世界上第一座商用海浪發(fā)電站“海蛇”在距葡萄牙海岸5 km的海面上完工。研究人員在研究與研制過程中，進行了3次縮尺比的物理模型實驗，實驗縮尺比分別為：1：50，1：25 和 1：5，在物理模型實驗達到預期目標后，進行了海上實型實驗，可以看出其在物理模型實驗時采用的縮尺比的范圍是1：5～1：50，作為比較成功的范例，具有一定的指導意義。由于我國海洋行業(yè)尚沒有頒布過針對海洋監(jiān)測儀器設備與海洋能發(fā)電系統(tǒng)方面的物理模型實驗相關規(guī)程、規(guī)范和標準。因此，只能參照交通部發(fā)布的《波浪模型實驗規(guī)程》，按照其要求：模型實驗時斷面物理模型長度比尺1：1～1：80，整體物理模型長度比尺≤150。對于海洋儀器設備物理模型實驗，縮尺比取1：50比較適宜。

2.2.3 實驗模擬動力環(huán)境參數(shù)

海洋儀器設備的物理模型與原型應遵循重力相似理論，根據(jù)我國海洋實際的風、浪、流情況，再通過縮尺比的計算，得到實驗模擬的動力環(huán)境參數(shù)，結果如表4。

由于需要對海流計進行實驗和測試，因此流速的縮尺比取1。由此確定的實驗模擬參數(shù)即可以滿足海洋儀器設備實驗與測試的需要，又能夠反映實際的海況。

表4 海洋實際與實驗模擬動力環(huán)境參數(shù)設計表

風的實驗模擬可由造風系統(tǒng)實現(xiàn)，造風系統(tǒng)一般由變頻儀、交流電機、軸流風機組、風速儀、計算機控制、采集系統(tǒng)等組成。波浪的模擬可由造波機實現(xiàn)。流的模擬可由造流系統(tǒng)實現(xiàn)，造流系統(tǒng)通常由水泵、變頻電機、流量流速儀、計算機控制與采集系統(tǒng)等組成。3個系統(tǒng)應不僅能單獨工作，而且還能同時工作形成風、浪、流混合實驗區(qū)，用來模擬實際風、浪、流共存的海況。

3 結語

海洋動力環(huán)境實驗模擬平臺的建立可以填補國內(nèi)海洋動力環(huán)境儀器設備室內(nèi)實驗空白，滿足國內(nèi)對海洋儀器設備與模型樣機實驗與測試工作的實際需求。同時又是海洋高技術成果轉化的有力平臺，可在科研開發(fā)與科研成果的檢驗、測試、比測、中試和定型等方面發(fā)揮巨大的作用，對促進海洋高新科技研發(fā)成果的產(chǎn)業(yè)化進程起到重要的作用。

[1]MOnorato,L Cavaleri,O Gramstad,et al.Statistical properties of mechanically generated surface gravity waves：a laboratory experiment in a 3D wave basin[J].J Fluid Mech,2009，627：235-257.

[2]Tuliu MP，TWaseda.Laboratoryobservations ofwave group evolution includingbreakingeffects[J].J Fluid Mech,1999，378：197-232.

[3]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.

[4]王海飛，熊焰，崔林，等.海流能發(fā)電系統(tǒng)轉換效率測試技術研究[J].海洋技術，2009,28（4）：97-100.

[5]楊志國.國內(nèi)外水池造波設備及造波技術的發(fā)展現(xiàn)狀[J].黑龍江科技信息，2003（9）：90.

[6]張瑞波，王收軍.伺服電機驅動式水槽造波機系統(tǒng)設計[J].機械設計，2007，24（10）：40-42.

[7]孫東昌，張亭健，等.水槽造流系統(tǒng)水力計算與泵機選擇[J].黃渤海海洋，20（2）：125-132.

[8]毛丞弘，楊建民，等.海洋深水實驗池造流系統(tǒng)整流裝置數(shù)值計算與分析[J].水力學研究與進展，2007，22（4）：483-490.

Dynamic Environment Experiment Simulation for Marine Instrument and Equipment

WANG Xiang-nan,LU Kuan,LI Yan,XIONG Yan,LI Chao,YANG Lei,SONG Yu-ze,ZHU Xiao-yang
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Marine dynamic environment experiment simulation is the foundation of marine environment monitoring technology and marine energy development technology research,which could provide simulation experiment environment for research and testing of marine instrument and equipment.Simulation parameter selection is the key point.Aiming at the demand of marine instruments and equipment including marine monitoring instruments and marine renewable energy development and utilization equipments and coastal actual characteristics of wind,wave and current in China,the related parameters of the experiment simulation are confirmed.

marine dynamic environment;experiment simulation;marine monitoring instruments;marine energy development equipment

P716+.21

B

1003-2029（2011）04-0001-05

2011-04-27

海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目（201005027）