国内外科研试验水池概述

赵佳楠

摘 要：科研试验水池是进行各种民用及军用船舶、水上飞机、地效翼飞机模型快速性及耐波性试验的重要设施。本文对水动力试验中最重要的试验设备试验水池进行了分类，介绍了国内外主要的大长度的拖曳水池、大宽度的耐波性试验水池和旋臂水池。

关键词：科研试验水池 拖曳水池 泰勒水池

1 引言

科研试验水池是进行各种民用及军用船舶、水上飞机、地效翼飞机模型快速性及耐波性试验的重要设施，可进行阻力、自航、敞水、流线、伴流场，波浪中失速，升沉、纵横摇、加速度砰击等的试验内容，并预报实航航行性能，也可以进行水下航行试验、水中兵器出水入水试验等，是水动力学领域最基础最重要的设施之一。

2 试验水池的分类

试验水池是进行水动力试验的最主要的试验设施，包括拖曳水池、耐波性试验水池、旋臂水池、破冰水池、露天水池等。

2.1 拖曳水池

弗劳德于 1871 年创建了世界上第一个船模拖曳水池( 该水池长85米，宽11米，深3米，最大拖曳速度5米/秒)，实现了船模运动阻力试验，根据试验结果预估的船舶航速和功率与实际情况相符。从这以后，许多国家相继建造了类似的拖曳水池，其用途不仅是预估功率，而且经过系列的模型试验研究可获得阻力较小的船型和高效率的推进器^[1][2]。

区别于使用等阻力测试方法的重力式船模水池，现代拖曳水池多采用等速度方法进行阻力测试，拖曳水池具备有较好的试验条件，能进行重力式水池中无法进行的试验，它的使用范围广泛，而且便于采用新的试验技术^[3]。

2.2 耐波性试验水池

最初的耐波性试验是在常规的拖曳水池中试验的，只需配备造波设备、消波设备和必要的运动参数测量仪器即可。但是在拖曳水池中只能进行迎浪和顺浪两种航向的船模耐波性试验，以及横浪无航速的横摇试验，局限性较大。后来为适应船模耐波性试验发展的需要，各国相继建造了不少用于耐波性试验的水池^[4]。

耐波性试验水池普遍采用横跨水池的大型X-Y拖车、多方向造波系统等大型专用设备，可将耐波性水池和操纵性水池合二为一，除了开展舰船耐波性和操纵性试验研究外，同时还能开展波浪中的操纵性试验项目。XY航车系统由于主航车和副航车两者间互成直角方向运动，故航车可在水池的整个平面做二元运动。主、副航车的运动与转台的回转运动可以控制同步，故可使船模以运动切线方向或任意迎角的状态运动^[5]。

2.3 旋臂水池

这是一种进行拘束船模试验的专用水池。可在稳定的角速度下进行模型水动力测试的大型试验设施，长期从事船舶主要性能之一——操纵性的研究和试验，主要从事船舶、潜水器等的操纵性理论及试验测试，广泛开展针对各型水中运动体的操纵性性能预报。在圆形水池中心有一小岛，岛上装有一套旋臂装置，臂的另一端支撑在圆水池壁的轨道上。船模可以固定在旋臂的任一位置处浮于水面或沉入水下，当旋臂绕小岛中心轴旋转是，带动船模在水池中做各种半径的圆形运动。船模处于完全拘束状态随旋臂运动，相当于在匀速直线运动上再叠加一个匀角转动。此时可以通过多分量测力仪对船模水动力和力矩进行测量，再经过分析计算求得操纵运动方程式中的水动力导数，主要是旋转导数和角速度耦合导数。

3 国内外主要研究机构

3.1 美国海军泰勒水池（NSRDC）

大卫泰勒模型水池位于马里兰州西贝斯塞斯达，是海军水面武器中心卡德洛克分部。大卫泰勒模型水池的目的就是通过研究模型为船舶性能提供精确可靠的预计。自从投入运营以来，该设施为海军、海岸警卫队、航海管理局和海上作业在造船方面的发展提供了关键支持。

3.2 俄罗斯克雷洛夫水池

克雷洛夫院士命名的造船研究所是俄罗斯最大的造船科学中心，从事对舰、船、海洋技术设备及其它飘浮体设计等广泛领域的研究工作，进行项目鉴定，以及对所建造物体各部位合理性的论证等。研究院拥有完善的试验设施，可完成各种舰船的试验和船模试验。主要试验设施包括深水和浅水拖曳水池、高速拖曳水池、耐波性试验水池、船模操纵性与空泡试验水池、破冰试验池、风洞与空化水筒、声学测量水池、拉伸试验机、疲劳振动试验机及水力和动力装置试验设施。高素质的专家队伍也保证了研究院研究的高质量。

3.3 日本国家海事研究所（NMRI）

日本国家海事研究所（NMRI）又称日本运输省船舶技术研究所，成立于1963年4月。运输省主要负责制定日本造船技术发展的基本方针和重要政策，船舶技术研究所主要从事船舶推进性能、运动性能、结构强度，船用发动机，船用材料，船舶舾装，核动力技术，冰海技术和海洋开发等研究、设计和调查。

3.4 德国汉堡水池（HSVA）

超过九十年间，汉堡船模水池HSVA一直处于水动力学研究前沿，HSVA影响和引导了解决复杂问题的测试技术、方法、标准和数学程序。HSVA建立于1913年，作为世界上最大的同类试验设施，1915年着手开始德国海军水下潜艇测试。1929年320米长、最高速度20m/s拖车被建立用于两栖飞机模型试验。战后HSVA被拆除和部分毁坏，1952年，HSVA重建在远离旧址几百公里的位置，1953年，测试重新开始，试验设施被扩大和改进。

3.5 荷兰国家水池（MARIN）

荷兰海事研究学会也就是荷兰国家水池建立于1929年，1932年开始使用，为了满足与日益增长的工业研究要求，包括快速性、耐波性、操纵性、浅水效应、振动、噪声等，一系列专业试验设施被成功建造（深水拖曳水池1951、浅水拖曳池1958、高速水池1965、减压拖曳水池1972、空泡水筒1979，离岸工程水池1960，耐波性和操纵性水池1999，减压拖曳水池2001）。

3.6 中国船舶科学研究中心（CSSRC）

中国船模科学研究中心是我国船舶及其他海事装备总体核心技术研究所。主要从事基础应用研究和应用技术研究，承担大中型军民船舶、海洋工程、水下物体和水中兵器的水动力学的检测、预报、优化和评估分析方法，以及高新能船舶、潜器和其他海事装备的总体性能研究、设计和开发。是国际船舶拖曳水池会议（ITTC）和国际船舶结构会议（ISSC）的成员单位。

4 小结

试验水池工程规模大、建设周期长、耗费大量的人力物力财力。国内外主要研究机构的水池大都在五六十年代就已经建成。随着技术的更新换代，原有水池的一些技术指标逐渐不能满足新的试验需求，水池通常会通过更换新型拖车、安装造波设备、增加一些保证测试精度的仪器设备（如四自由度适航仪、数据采集与分析系统）等手段，改造后的水池不但在拖车速度范围上有所增大，在测试手段与测试精度方面也有了很大的改进与提高。

参 考 文 献

[1]施奇，杨大明，尹赟凯.船模拖曳水池静水阻力对比研究[J].江苏科技大学学报(自然科学版)，2011,25(4):312-315

[2]杨松林，孙小峰，杨大明.确定拖曳水池长度的方法[J].船舶工程，2001,(6):61-64

[3]李广年，谢永和，郭欣.拖曳水池方案设计[J].中国造船，2011,52(3):110-114

[4]郝亚平.船舶性能试验技术[M].北京：国防工业出版社.1991

[5]杨溢.XY航车系统运动性能分析[D].哈尔滨工程大学，2009,2