船舶与海洋工程试验研究第二讲上海交通大学海洋工程国家重点实验室内容提要一、模型试验概述二、模型试验设施介绍三、国内外海洋工程水池概况四、我校海洋工程水池模型试验基础232005年秋季“卡特里娜”和“丽塔”飓风毁坏了墨西哥湾地区113座石油平台、457条油气管道。

恶劣的海洋环境是影响海洋工程设施安全性的重要因素1980年3月，北海的挪威“基兰”号石油平台被波涛吞没，死亡120多人。

模型试验研究的必要性4●海洋环境恶劣，海洋工程往往技术复杂、投资巨大、风险极高，其技术性能、安全性能和作业性能等均需要充分研究和论证。

●常用研究手段：数值模拟（Numerical Simulation ）模型试验（Model Test ）●结构有限元分析理论与软件（SESAM、NASTRAN等）均相当成熟，结构强度分析等可通过数值模拟来完成。

●在水动力性能分析方面，虽然凭借当今计算流体力学（CFD）的水平，可以进行数值模拟与计算，然而，由于计算中常引入诸多假定或经验数据，计算结果可靠度欠佳。

●因此，迄今为止，海洋工程界仍然一致认为水动力模型试验的结果最为可靠，并以此作为设计、建造浮式海洋平台的最终定夺。

●几乎任何一座浮式海洋平台的设计、建造都要进行物理模型试验。

5模型试验研究的作用●随着数值模拟技术和计算机技术的进步，模型试验研究的作用也在发生改变。

●早期，主要通过模型试验获得海洋工程结构物的水动力性能，并进行方案的优化设计。

●现在，方案设计的大量优化工作依据数值模拟结果在计算机上完成，模型试验主要用于对数值预报结果的验证，预报非线性和不可预知性的水动力特性，以及对优化设计方案技术性能的认证，并提供最直接和最可靠的性能依据。

●有时，模型试验还能够最直观地让我们发现未知现象，丰富对自然界的认识。

67FP 12.5m()原设计14.5m()更改设计原设计系泊链系泊系统支撑机构更改设计首部型线BZ25-1 FPSO 2002年~2003年挪威APL 公司委托交大进行的渤海BZ25-1 FPSO 系统工程试验研究中，发现浅水非线性水动力作用造成FPSO 运动与系泊力异常，进而部分更改了FPSO 型线和系泊系统的设计方案原设计现设计原方案试验80 0 0Time (s) 0Time (s)02001年美国SOFEC 公司委托交大进行的FPSO 系统试验研究中，发现设计方案会产生意外的波浪砰击现象。

模型试验研究的目的●预报运动与载荷,验证理论（数值）预报结果。

●发现任何不可预知性和非线性的动力行为、运动与载荷，这些一般不能被水动力数值模型所预报。

●评估设计方案的技术性能与可行性。

●提供海洋工程结构物在安装和作业过程中行为特性的可视化证明。

9内容提要一、模型试验概述二、模型试验设施介绍三、国内外海洋工程水池概况四、我校海洋工程水池模型试验基础10海洋工程水池要求可以模拟风、浪、流各种海洋环境条件并能根据试验要求改变水深，水池的主要装备一般有：●可升降假底●造波机●消波装置●造流系统●造风系统●大跨度XY拖车11大面积可升降假底False Bottom:28m×26m0m调节水深Water Depth Adjustment5m双摇板造波机造单方向传播的长峰波Hydraulic Wave Generator多单元造波机造多方向长峰波、短峰波1415荷兰MARIN 海洋工程水池双边多单元造波机造波录像剪辑消波系统MARIN消波滩设计17假底上方形成均匀稳定的回流消波滩升降假底高压喷水回流式高压喷水造流系统19直喷式高压喷水造流系统20深水造流系统管道布置造流泵具有生成垂向流速剖面的能力生成流速具有较好的稳定性21造风系统22造风系统Wind generating systemVmax=10m/s定常风和风谱Stable Wind and Wind Spectrum 大跨度XY方向拖车25一、模型试验概述二、模型试验设施介绍三、国内外海洋工程水池概况四、我校海洋工程水池模型试验基础内容提要国内外主要海洋工程水池尺度所在国家水池主体深井长(m)宽(m)深(m)直径(m)深(m)巴西403015525荷兰453610.5530挪威805010--美国4530 5.8-16.8加拿大36263614.8日本14145630中国50306--中国504010540巴西LabOceano水池（Brazilian OceanTechnology Laboratory）2003年建成。

尺度40m×30m×15m，中间深井直径5m，深25m。

位于巴西里约热内卢●水深调节范围：0~25m●造波能力：最大波高0.52m●造流能力：最大流速表面0.25m/s、底部0.1m/s ●造风能力：最大风速12m/s29巴西LabOceano 水池介绍（Brazilian Ocean Technology Laboratory ）30荷兰MARIN(Maritime Research Institute Netherlands)海洋工程水池2000年建成，位于荷兰Wageningen 。

主尺度为45m ×36m ×10.5m ，池中设有直径为5m 的深井，可使试验水深达30m 。

MARIN水池平面图●h=0~30m●Hmax=0.7m●Vc=0.5m/s底部0.1m/s●Vw=10m/s●当今世界上最先进、最深的海洋工程水池。

31挪威MARINTEK水池( Norwegian MarineTechnology ResearchInstitute)1981年建成，位于挪威Trondheim，是当时世界上最先进的水池。

主尺度为80m×50m×10mh=0~10m，Hmax=0.9m，Vc=0.2m/s，Vw=12m/s美国OTRC(Offshore TechnologyResearch Center)水池1988年建成，位于美国Houston的Texas A&MUniversity。

长150ft，宽100ft，深19ft，中间的深井深度为55ft 。

●水深h=0~16.8m●最大波高Hmax=0.9m●最大流速Vc=0.6m/s●最大风速Vw=12m/s加拿大CHC(Canadian Hydraulics Centre)水池位于加拿大Ottawa。

尺度36m×26m×3m，中间深井直径6m，深14.8m。

●h=0~14.8m●Hmax=0.7m●Vw=12m/s日本国家海事研究所NMRI水池（National Maritime Research Institute）2001年建成，位于日本东京。

圆形水池，直径14m，水深5m，中间深井直径6m，深30m。

●h=0~30m●Hmax=0.5m●Vc=0.2m/s1992年建成，主尺度50m×30m×6m上海交通大学海洋工程国家重点实验室海洋工程水池国家发改委、上海市、上海交通大学、中国海洋石油总公司投资建设海洋深水试验池建于上海交通大学闵行校区，总投资约1亿多元，2005年开工建设，已于2008年12月运行。

40水池主体：长50米宽40米深10米海洋深水试验池深井：直径最大工作水深海洋深水试验池侧视图Hmax=0.5mVc=0.4m/sVw=10m/s43造波系统：多单元造波机可产生方向可变的规则或不规则长峰波或短峰波，有义波高可达0.3米；造流系统：深水造流系统可产生整体流或分层流，表层流速可达0.4米/秒，整体流速可达0.1米/秒；造风系统：造风系统可产生风向和风速均可变的定常风或非定常风，最高风速可达10米/秒；水深调节系统：升降假底可使水池主体水深在0~10 米间自由调节，使深井水深在10-40米间自由调节；拖车：大跨度XY 拖车系统最大车速1.5米/秒。

深水试验池设施主要技术指标4440m 50mO●国内首个、世界第二个池外循环式整体造流系统。

●六层造流，均有独立循环通道和驱动水泵，可造不同剖面的深水流。

●采用倾斜渠道结合穿孔压力墙的分流方案，保证流速均匀、稳定。

深水造流系统方案45●模型比例1:10，用钢材和有机玻璃制作。

●模拟水池结构和尺寸，模拟整体造流系统设计方案。

●完整模拟造流过程，验证数值模拟结果，验证造流系统方案。

物理模型造流实验数值模拟与物理模型实验研究46水池大面积假底•钢质纵横梁系结合钢质浮箱，储备浮力60吨。

•卷扬机系统调节升降。

•导向系统控制位移，气动锁紧装置锁紧在所需深度。

深井假底•钢质框架结构。

•卷扬机系统调节升降。

•依靠与井壁的摩擦力锁紧在所需深度。

水深调节系统方案•任意水深的模拟能力是国际一流深水池的标志之一。

•整体可升降的大面积假底是世界上最先进的任意水深模拟技术，其结构强度、平整度、升降系统是关键。

47多单元造波系统方案●双边多单元造波系统是世界上最先进的波浪模拟技术，可模拟三维波、任意方向长峰波●水池长边布置总长50米的多单元造波机●水池短边布置总长40米的多单元造波机●造波机每单元宽0.4米，造波板吃水1.2米●单元采用伺服电机驱动●所有单元统一集中控制4849消波系统方案●创新的组合消波技术●消波滩由圆弧形倾斜消波面、阻尼条、落水槽等组成。

●波浪越过消波滩后落入落水槽。

●落水槽回水不直接流回水池，避免影响滩前波浪。

下部为造流系统结构8000mm 400mm 1350mmX 轴Y 轴5031mm150mmα50行车系统方案●行车是海洋工程水池必需的重要试验设备。

●采用桁架式结构、双轨大跨度(52m)行车方案。

●计算机控制作XY双向运动，车速可调，可达1.5m/s。

●布置试验工作小车，重量8吨，起重能力3吨。

●布置造风系统工作小车，重量15吨。

行车结构的整体有限元模型造风系统方案●变风向、变风速的造风技术。

●计算机控制多台轴流风机。

●轴流风机悬挂在行车下方，可自由旋转以调整风向。

●造风系统与行车系统不发生共振。

51海洋深水试验池52海洋深水试验池53海洋深水试验池54内容提要一、模型试验概述二、模型试验设施介绍三、国内外海洋工程水池概况四、我校海洋工程水池模型试验基础55半潜式平台Semi-submersible Platform• A series of model test, including wave basin model test, DP model test and quay mooring model test have been conducted for CNOOC •Comparison in hydrodynamic performances of the different conditions were performed to support the final design and construction.Semi ‐submersible PlatformCNOOC ‐981 Drilling SEMIDry ‐tree Production SEMIShell International Exploration &Production Inc.,SIEPSemi ‐submersible PlatformSemi‐submersible Platform Dry‐tree CP SEMISemi‐submersible Platform Hadrian North SEMISemi‐submersible Platform CAT‐A, CAT‐B Well Intervention SEMI HELIX H‐4500 Drilling SEMISemi‐submersible Platform GVA Drilling SEMI63我国第一艘深水半潜式钻井平台的前期研究。