● 陳政宏／成功大學系統及船舶機電工程學系副教授
今年二月下旬海委會的國家海洋研究院宣布，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及耐海性能水槽。
▲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）
而科技部與國防部合作，去年底對大學公開徵求的「學研中心」專案計畫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，也必須盡量不假手他國以防洩密。
為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、飛彈一樣可以稱為載具（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，因為速度與尺寸都夠大，周圍的流體會形成紊流。
▲美國海軍海狼級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岳的尖峰速度，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100萬年才算得完！
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為的模型取代，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、台車、測量儀器、模型的精度要求則是精密機械等級的。
▲台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、台車及測量力量、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！如地下岩盤很深的沉積地質就不夠好，完工後可能因為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，但已經足以干擾台車的穩定，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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我們想讓你知道…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。