CB/Z 811-2019

归口。 本标准起草单位：中国船舶重工集团公司第七〇二研究所。 本标准主要起草人：匡晓峰、刘长德、范亚丽、赵战华、张凤伟、郑文涛、湛俊华。 CB/Z 811—XXXX 1 海洋工程环境模拟与环境载荷预报方法 1 范围本标准规定了海洋工程试验中风、浪、流环境模拟要求、预报方法以及结果的分析和表达。 本标准适用于海洋工程半潜式平台、浮式生产储卸油装置（FPSO）及其它海上浮式结构物系泊状态、 固定状态、动力定位工作状态以及锚泊辅助动力定位状态下的水池模型试验中风、浪、流海洋环境模拟与载荷预报方法。

2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 CB/T 3675 水面船模耐波性试验规程 CB/Z 249 水池波浪测量技术规程 CB/T 3471 风浪流联合作用下浮式系统模型试验规程 3 术语、符号 3。

1 符号表1中的符号适用于本文件。 表1 符号表符号术语单位 B 浮式结构物特征宽度米（m） wx CF X方向风力系数 / wy CF Y方向风力系数 / wz CM 绕Z轴风力矩系数 / cx CF X方向流力系数 / cy CF Y方向流力系数 / cz CM 绕Z轴流力矩系数 / ( , ) Xwa C X方向二阶波浪力传递函数牛/米 2（N/m 2） ( , ) Ywa C Y方向二阶波浪力传递函数牛/米 2（N/m 2） ( , ) Zwa C Z方向二阶波浪力传递函数牛/米 2（N/m 2） Fr 傅汝德数 / cx F 流载纵向力牛（N） cy F 流载横向力牛（N） wx F 风载纵向力牛（N） wy F 风载横向力牛（N） (2) wax F 二阶波浪力纵向力牛（N） (2) way F 二阶波浪力横向力牛（N） CB/Z 811—XXXX 2 符号术语单位 g 重力加速度米/秒 2（m/s 2） H 浮式结构物特征高度米（m） Hw1/3 有义波高米（m） L 浮式结构物特征长度米（m） cz M 流载艏摇力矩牛·米（N·m） wz M 风载艏摇力矩牛·米（N·m） (2) waz M 二阶波浪力艏摇力矩牛·米（N·m） Re 雷诺数 / Rec 临界雷诺数 / a S 相对波面的垂向运动振幅米（m） ( ) S 谱值米 2·秒（m 2s） T 吃水米（m） 01 T 波浪特征周期秒（s） V 试验风速米/秒（m/s） w V 风速米/秒（m/s） c V 流速米/秒（m/s） 排水体积立方米（m 3） Δ Hw1/3 实测谱与目标谱的有义波高差米（m） ( ) S 实测谱与目标谱的谱值差米 2·秒（m 2s） t 采样间隔秒（s） p 实测谱与目标谱的谱峰圆频率差弧度/秒（rad/s） a 波幅米（m） 浪向度（deg） 流体介质动力粘度系数牛/米·秒（N/m·s） 流体介质运动粘性系数米 2/秒（m 2/s） 流体介质密度千克/立方米（kg/m 3） 波浪圆频率弧度/秒（rad/s） c 高频截止圆频率弧度/秒（rad/s） p 谱峰圆频率弧度/秒（rad/s） 注：x为纵荡方向，首部为正；y为横荡方向，左舷为正；z为垂荡方向，向上为正。

4 相似准则海洋环境载荷预报模型试验满足以下相似准则： a） 几何相似：模型按等缩尺比制作，满足几何相似； b） 运动相似：空气介质相对运动模拟实体匀速运动状态，海上浮式结构物六自由度运动保持与实体情况相等，满足运动相似； c） 流动相似：海面以上风载荷进行风场模拟，水下部分流载荷测试，近似以均匀来流进行； d） 动力相似：通常模型试验无法满足全动力相似条件（模型试验雷诺数与实体航行雷诺数相等）， 当雷诺数大于临界雷诺数Rec（Rec取1.0×106）后，模型表面形成稳定的湍流边界层，此时继续增加试验雷诺数，流体动力系数基本保持不变，并保证傅汝德数相同，在此条件下认为试验近似满足动力相似准则，测得的流体动力系数可外推到实体应用。 海洋工程环境载荷预报模型试验时，实体与模型各物理量之间的转换关系列于表2。 CB/Z 811—XXXX 3 表2 实体与模型各物理量之间的转换关系序号项目转换系数 1 线尺度 2 线速度 1/2 3 角度 1 4 时间 1/2 5 质量 3 6 惯性矩 5 7 力 3 8 力矩 4 5 环境模拟对于海洋工程模型试验中涉及到的风、浪、流等环境条件模拟，试验设备使用，试验模型加工，缩尺比选取，相关误差要求以及其他未提及事项，在没有特殊说明情况下请按照CB/T 3471选取。

1 规则波模拟规则波波高按照λ相似关系模拟，周期按照 1/2 相似关系模拟。波高的模拟误差应小于±10%，周期的模拟误差应小于±5%。

2 长峰不规则波模拟长峰不规则波模拟、测量和误差要求如下： a）风、浪、流联合模拟，应先造风、流，待风速和流速达到预定值并稳定后再造波，并且应以联合作用下的实测波浪谱作为标准，也允许用单独波浪实测谱作为标准。 b）应模拟工程海域的实测波谱，当无实测波谱时，可按国际拖曳水池会议(ITTC)推荐的双参数谱或联合北海波浪计划提出的JONSWAP 谱模拟。 c）长峰不规则波的瞬时波面高度的概率分布符合正态分布。 d）水池实测谱与目标谱的波谱形状相近，谱值、峰频、有义波高允许误差如下： 1) 谱值( ) S，在( ) 0.1 ( ) p S S 时， ( ) / ( ) 20% S S； 2) 峰频 p， / 5% p p； 3) 有义波高 1/3 w H， 1/3 1/3 / 5% w w H H； 4) 在造波频率范围内，对于一般试验，成分波个数大于或等于50 个，对二阶非线性系统， 成分波个数根据系统特性决定。 5) 波谱的高频截止频率 c 应大于峰频 p 的三倍。 e）长峰不规则波模拟时至少安装两个浪高仪，一个置于模型安装位置，在正式试验时移走，另一个与前一个并排安装，用来测量测试信号的波浪相位。 CB/Z 811—XXXX 4 5。

3 白噪声模拟白噪声波模拟精度及测量的相关要求可参照长峰不规则波模拟要求，同时应考虑： a) 白噪声波截断频率应尽量满足试验要求频率范围； b) 为保证模拟精度，白噪声波有义波高模型值一般宜取50mm 左右。

4 短峰不规则波模拟短峰不规则波模拟可参照长峰不规则波模拟进行，谱值、峰频、有义波高允许误差参照长峰不规则波模拟要求，同时应考虑： a）水池实测方向谱与目标方向谱的波谱形状相近，主浪向误差宜小于±5 o。 b）短峰波测量是通过按照特定方式排列的浪高仪阵列实现的，详细的阵列排列因水池而异，例线形、圆形（包括三角形）都经常采用。各个浪高仪之间的最佳间距由实际波长的大致范围来给定，典型的是在主要波长（约1/10~1/2）的范围。

2 风模拟风载荷可通过风力或风速模拟。风力模拟时，首先通过风洞试验，获得无因次风载系数，然后利用风机模拟模型所受风力和力矩。采用风机模拟风力时需要标定风速与模型受力之间的关系，通过调整风机转速来获得所指定的风力，风向模拟则通过调整风机位置实现。风速模拟通过风机实现，对于定常风速模拟，根据相似关系，按照 1/2 换算得到模型风速，通过调整风机转速来获得所指定的风速，风向模拟通过调整风机位置实现；非定常风模拟，除了模拟平均风速和风向外，还要模拟给定风谱。 采用风机来模拟风速时，风场应有足够大的范围并应校验该范围内风速的均匀性。在模型安装之后， 风机应该工作至少相当于实体半小时以上的时间，对平均风力进行测量，测量位置应该是距水面10m处 （实尺度）。平均风速的模拟误差应小于±10%，造风角度误差不大于±4o。同时应校验风载荷模拟的重复性。

3 流模拟流载荷通过流速或流力模拟，通过流速模拟时，根据实体流速按照 1/2 换算得到模型流速，在模型安装位置，校验水池中整个宽度方向或足够大宽度方向流的均匀性，流速测量应在模型吃水一半深度处进行测量，并在模型安装位置平行方向多处位置测量。对于流垂向速度分布，如无具体要求在模型吃水范围内，其流速可视为常数或随水深呈指数衰减，平均流速的模拟误差应小于±10%，造流角度误差不大于±4o。流载荷也可采用等效力进行模拟，通过风洞试验，获得无因次流载系数，然后利用造流系统模拟模型所受流力和力矩，同时应校验流载荷模拟的重复性。

6 环境载荷预报 6。

1 风载、流载试验 6。

1 试验模型模型制作主要要求如下： a）模型加工长宽高允许误差：Δ L/L≤0.1% 、Δ B/B≤0.5%以及Δ H/H≤0.5%；形状偏差：L >3.0 m 的模型，允差1。

5 mm以下；L<3。

0 m的模型，允差1。

0 mm以内； b）对主体和附体的联接状况进行检查，确保安全可靠，防止在试验中变位、脱落； CB/Z 811—XXXX 5 c）对模型进行强度及刚度检查与估算，不符合要求项，必须进行加强措施；未解决前，不得投入试验。

2 试验准备 a） 模型应安置于风洞流场均匀区内； b） 安装误差：水平方向角度偏差 ≤±0.1°，垂直方向角度偏差 ≤±0.1°，模型横倾状态角度偏差 ≤±0.1°； c) 风载试验前，调整压铁，使吃水与水线相平。将模型安置在测力天平框架内，调整模型，使纵倾、横倾、水平方向角度等误差调至允许范围内并固定。每次改变吃水和风向后应对模型位置和姿态重新标定；风载试验测试内容应包括模型横向力 wx F 、纵向力 wy F 和偏航力矩 wz M， 对于FPSO 具有风标效应的浮式结构物后两项可不予测量；风载试验中，上层建筑和作业设备的受风面积应做到几何相似，上层建筑的位置、形状也应尽可能与实物一致； d) 流载试验前，调整压铁，使吃水与水线相平。将模型放置在测力天平框架内，调整模压铁，使纵倾、横倾、水平方向角度等误差调至允许范围内并固定；流载试验测试内容应包括 cx F 、cy F 、 cz M，对于FPSO 具有“风标”效应的浮式结构物后两项可不予测量；完成一个流向角的测试后，转动模型改变流向角进行下一个流向测试，在每次变吃水和流向后都应对模型位置和姿态进行重新标定。 e) 海上浮式结构物流体动力试验必须在临界雷诺数以上区域内进行，一般要求Re >1.0×10 6； f) 对新型号海上浮式结构物模型第一次试验时，应进行变风速测力试验，绘出有攻角（或漂角） 时无因次流体动力系数随Re变化的曲线，找出Rec值，然后确定合理的试验风速，必须保证试验时Re > Rec； g) 其它模型，可参照实际风速选取或者进行变风速试验确定。

3 试验操作通过风洞试验测试全模型风载横向力 wx F 和流载 cx F，风载纵向力 wy F 和流载纵向力 cy F，风载偏航力矩 wz M 和流载偏航力矩 cz M。采样频率、采样时间的确定要保证测试结果的准确性。 试验操作如下： a) 当造风装置达到给定风速且计算机读数稳定后，开始采样； b) 每个工况试验结束后，应及时分析试验曲线，若发现测试结果个别测点数据异常或突变，应对该点补测； c) 试验全部结束后，应对测力仪器（机械六分力天平或应变测力元件）进行复核，前后复核误差应在3%以内。

2 二阶平均慢漂力试验 6。

1 试验模型试验模型要求可参见CB/T 3471。

2 试验准备 a) 试验前，应对测力传感器系数进行标定。 b) 对模型重心位置和惯量进行调试，误差要求可参见CB/T 3471。 CB/Z 811—XXXX 6 c) 模型必须布置于水池中央区域，宜采用轻质弹性约束系统固定模型，系统水平固有周期应大于最小波浪周期或模型固有周期一个数量级，并根据实际试验调试情况，在不影响模型的波频运动下，可适当调整系统刚度，以能测到准确的二阶平均慢漂力为宜。 d) 在约束系统一端安装测力传感器，测力传感器应靠近模型一侧，确保传感器工作正常。

3 试验操作通过水池试验测试模型纵向力 (2) wax F 和横向力 (2) way F。采样时间应足够，对于规则波，应不小于15 个波浪周期为宜；对于不规则波，以满足实尺度1 小时为宜。若在试验过程中模型出现了瞬时偶然性事件， 则该段数据应在数据处理时清除。 试验操作如下： a) 每次试验前，待水面平静，需进行一次数据采集，作为后续试验数据的零位； b) 当造波机开始运行，采样开始； c) 每个工况结束后，应及时分析试验数据，若发现测试结果个别测点数据异常或突变，应进行重复性试验； d) 试验全部结束后，应对测力传感器进行复核标定，前后复核误差应在3%以内。

7 试验数据分析与表达 7。

1 波浪试验结果处理及表达对于规则波，对试验测量结果选取信号稳定段，扣除仪器引起的零位值后，求取平均幅值或波高， 一般以 a 来表示波幅。 对于不规则波，选取有效测量结果，采用谱分析方法求取波浪谱( ) S，根据谱值积分可获取不同谱面积结果，表达式如下： 0 d S m i i …………………………………………….…（1） 不规则波浪有义波高 0 3 1 2 m H w，波浪特征周期为 01 0 1 2 T m m。

2 风载/流载试验结果处理试验结果按无因次系数形式提供，流体动力系数曲线用最小二乘法进行拟合处理。处理时对试验中可能引入之误差必须进行修正。

1 系统误差修正对闭口风洞中进行海上浮式结构物试验结果进行下列系统误差修正。

2 支架干扰修正支架干扰修正用三步法试验进行，即正装模型试验，反装模型试验及反装加假支架模型试验，按下式即可扣除支架与模型的干扰量。 CB/Z 811—XXXX 7 反假反正 F F F FM …………………………………………….…（2） 式中： M F ——模型本身流体动力（矩）； 正 F ——正装模型试验时，测得的流体动力（矩）值； 反 F ——反装模型试验时，测得的流体动力（矩）值； 假反 F ——反装加假支架模型试验时，测得的流体动力（矩）值。

3 静压梯度修正由于风洞轴向静压梯度存在，对海上浮式结构物模型试验纵向力测量值有影响，其修正量按下式计算： q dx dC X P ……………………………………….…（3） 式中： X ——静压梯度修正量，N； P dC ——静压变化量系数； dx ——流向位置变化量，m；

——模型（排水）体积，m3； q——试验参考动压，N/m2。

4 阻塞修正风洞试验段中由于模型的存在，使模型区域的实际风速与试验给定风速不同，数据处理时，风速按下式给予修正： ˆ 1 V V ………………………………………………….….….（4） 式中： V——试验给定风速，m/s； ˆV ——实际模型作用风速（数据处理时计算风速），m/s；