國艦國造需要怎樣的國家級船模實驗室?(一)流體動力學問題

陳政宏/成功大學系統船舶機電工程學系副教授

今年二月下旬海委會國家海洋研究院宣佈,規畫在興達港建置國家船模實驗室,主要是要新建船舶運動耐海性能水槽

▲國家海洋研究院想在興達港成立「國家級船模實驗室」。(圖/翻攝自經濟部

科技部與國防部合作,去年底對大學公開徵求的「學研中心」專案計劃最近也即將審查完成,其中主題領域二「先進船艦及水下載具」中也有個重要項目是船艦及水下載具性能測試與驗證。

顯然船模實驗對於設計艦艇及水下載具而言相當重要,也必須儘量不假手他國以防泄密。

爲什麼現在電腦模擬已經很厲害了,還要辛苦地做實驗呢?我國需要哪些船模實驗室?現有能量又如何?未來又還需要投入哪些資源呢?

載具的流體動力學問題

無論水面或水下、有人或無人的船艦或會移動的機器,和飛機飛彈一樣可以稱爲載具(vehicle)。

他們都是在立體空間中自由移動不受限,可以有六個自由度運動,包括三種直線運動:縱移(前後移動)、橫移(左右移動)、起伏(上下移動) ,以及三種旋轉運動:俯仰(縱搖)、橫搖、平擺(水平面上旋轉)。

當載具移動時,因爲速度與尺寸都夠大,周圍的流體會形成紊流。

美國海軍海狼核子動力快速攻擊潛艦康乃狄克號」(USS Connecticut,SSN-22)。(圖/取自美國海軍官網US Navy)

偏偏紊流是物理學家費曼口中「古典力學中最重要且尚未解決的問題」,而流體力學統御方程式中的動量守恆方程式,也就是牛頓第二運動定律的流體力學版,是一組複雜的非線性偏微分方程式,名列十大最困難未解的數學問題,比費馬最後定理還難,數學家至今束手無策。

但是工程師不能等數學、物理學家的解答,必須立刻解決每天船艦、飛機會面臨的流體動力學問題。因此,在載具的設計階段想看看設計方案好不好,只能用電腦數值模擬,或者做精密的模型實驗來驗證。

電腦模擬

雖然現在電腦速度很快了,但對於真實機艦的流體力學的直接計算模擬來說還是太慢。

若以現在全球最快的超級電腦日本富嶽尖峰速度,每秒運算十的十八次方浮點運算來寬估,直接模擬計算一艘荷蘭海象級長67公尺左右的潛艇,以20節速度航行時的流場,大約要算100萬年纔算得完!

這樣當然不切實際。

▲即便超級電腦性能強大,但依舊難模擬真實機艦的流體力學。(示意圖達志影像/美聯社

所以計算流體力學都會將這個動量守恆方程式簡化,至少把其中一個高度耦合項以人爲的模型取代,使得計算時間大幅縮短到數天左右。

但也因此無法考量某些物理機制,造成某種程度的誤差;另外有些誤差來自計算方法,例如網格切分等技術。

所以,即便現在的電腦模擬比實驗方便、便宜,在設計初期的粗略計算模擬後,工程師還是需要把最後的設計方案以實驗模型驗證。

實驗驗證的必要

實驗當然也會有誤差,因此實驗模型越造越大,以求減少因船模外型製造精度極限造成的幾何誤差,而影響流場的正確性

同理,各種量測儀器設備也被要求越來越精密。

目前世界一流的船模實驗室對水面中低速船大概會用6~8公尺長的模型,而潛艦至少大約3、4公尺長,但誤差要求都在1 mm等級。

換句話說,長達數百公尺的船模實驗室是一般大型土木工程的等級,但是裡面的軌道臺車測量儀器、模型的精度要求則是精密機械等級的。

臺船公司文物館展示在德國拖航水槽實驗過的船模。(圖/作者提供)

如果不注重拖曳模型的軌道、臺車及測量力量、姿態、速度的儀器之精密度,每個地方都有5~10%以上的誤差存在,累積下來,整個實驗的測量不確定性會過大到沒有參考價值的地步。

因此對於實驗設備、儀器、操作人員的素質與經驗也都需要處處講究精準。

這個考量甚至會影響實驗室的選址!如地下巖盤很深的沉積地質就不夠好,完工後可能因爲水槽兩端的沉陷速率不同而造成高度落差,要等待多年才能穩定使用;也可能在大地震過後,軌道扭曲變形不再平行,而需常常校正

這裡所謂的變形其實都是很小的量,肉眼不一定看得出來,但已經足以干擾臺車的穩定,影響實驗的精密度。

潛艦與太空船都是集各種精密與尖端技術於一身的複雜系統,並列人類科技文明的最高指標不是沒有道理的。

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