國艦國造需要怎樣的國家級船模實驗室？（二）船模實驗室種類與現況

我們想讓你知道…為了瞭解一艘船的完整流體動力性能，大部分的做法是讓船的模型在水中被台車拖著跑，到了想要測量的速度時，再以各種儀器測量其性能。

● 陳政宏／成功大學系統及船舶機電工程學系副教授

最近科技部與國防部合作公開徵求的「學研中心」計畫中，「先進船艦及水下載具」主題領域內有個重要項目是船艦及水下載具性能測試與驗證。那有哪些測試驗證的船模實驗項目呢？

船模實驗的種類

▲台船公司文物館展示在德國拖航水槽實驗過的船模。（圖／陳政宏提供）

為了瞭解一艘船的完整流體動力性能，大部分的做法是讓船的模型在水中被台車拖著跑，到了想要測量的速度時，再以各種儀器測量其性能。船模實驗的主要項目包括下列各種：

(1)單純測量阻力的裸船阻力實驗

(2)測量靠船模本身動力推進時的推力、轉矩、轉速的自推實驗

(3)測量均勻流場中螺槳性能的螺槳單獨性能實驗

(4)觀察船模流場趨勢的油墨試驗及流場可視化實驗

(5)測量螺槳平面或其他重要地方附近流體速度的艉跡流測量

(6)測量平面運動時船隻反應的平面運動性能實驗

(7)水面船艦在波浪中的耐海性能實驗

(8)操控性能實驗

(9)潛航器自航實驗：
潛艦有個特殊實驗項目，是以能依靠自身動力航行的模型，在至少數百公尺見方且夠深的水域中，作各種航行狀況測試與水動力性能測量的。

船模實驗室的種類

由於實驗(9)所需水體過大，因此一般並不會另蓋一座實驗室，而是選擇適當的水庫、天然湖泊、人工湖，在裡面架設實驗觀察設施進行。又由於模型製造與實驗儀器的精密度必然有極限，使得船模實驗的模型越大才能越準確；而模型越大，實驗設施也只好跟著越大。另外，也為了避免水槽相對於模型太小，阻礙了水的流動，產生所謂的阻塞效應、槽壁效應等，水槽的斷面也不能太小；又為了在高速實驗時有足夠的時間穩定測量，水槽的長度也不能太短。

綜合以上，完整的船模實驗需要的是下面這些實驗室：

(A)一個夠長的大型拖航水槽

裝上各式儀器後，以台車拖著模型在水裡跑，可以進行上述實驗項目(1)(2)(3)(4)(5)(6)。先進國家的商業或國家級拖航水槽，長度大都超過250公尺，美國海軍的拖航水槽長達五百多公尺，俄羅斯的更超過一公里！寬度與深度大概分別要12~16公尺、5~6公尺以上才比較好用。

▲拖航水槽。（圖／翻攝自網路）

水槽上要有精密的軌道與速度穩定的台車，台車上有能精密測量船模各種受力、姿態、流場速度、水溫、車速的儀器；當然攝錄影裝備也是一定有的。船模實驗的水不動，讓模型移動的原因是船會製造波浪，這也是要觀察的重點，而水洞(水動，但模型不動)很難造出平穩的水面及流速均勻的水體，而且要讓這麼大量的水體移動，耗能太大。

但同理，有些潛艇全沒入水中時的實驗倒是也可以在風洞或空蝕水槽中進行；反過來，飛機的實驗如果要觀察尾部流場的話，也可以改在拖航水槽中進行，只要滿足流體力學的相似原理就好。

(B)一個矩形夠深可造波的船舶耐海及運動性能水槽

進行實驗(7)(8)；也是需要有精密的軌道、台車、精密測量船模各種受力、姿態的儀器；岸邊則要設有造波機；更講究的還在水槽中設有造流設備。

▲造波機。（圖／翻攝自網路）

(C)一座空蝕水槽，進行實驗(3)

因為空蝕水槽就像風洞一樣，是水動但模型不動，比較好觀察測量，也能調整壓力，模擬不同水深的情況；反觀拖航水槽就只能測量一種近水面的深度，但比較容易做螺槳分別在前進後退時的正反轉性能實驗。因此拖航水槽與空蝕水槽具有互補性。

▲空蝕水槽。（圖／翻攝自網路）

(D)一個天然或人工水域，進行實驗(9)

這也是外國大部分的國家級與軍方實驗室的設施。

(E)迴旋臂水槽

這不是必要設備，但美國、中國、英國等國家的國家級實驗室都有，因為以往對潛艇為主的船舶在轉彎時的水動力性能的研究，要靠迴旋臂抓著船模繞弧形走來測量性能。因此會另外建造一個圓形的水池來單獨實驗。

但現在因為機電控制技術進步，我們可以在耐海及運動性能水槽中設置雙向移動台車，讓小台車在縱向移動的大台車上橫向移動，再於小台車上裝一個可以旋轉的轉盤，把船模掛在這個轉盤下方，這樣小台車上的轉盤可以移動到水槽中的何一個位置，也可用精密控制的方式走圓弧形軌跡，轉盤再隨時轉動到適當的角度，就可以達到迴旋臂的功能，而不需要另外開挖一個大圓形水池了。約五年前英國公司替印度海軍設計建造的耐海及運動性能水槽就是一例。

此外，溫帶國家的國家級船模實驗室往往也還有一個特殊的可結冰功能的拖航水槽，作為破冰船的實驗場所。

台灣船模實驗室現況

台灣第一座拖航水槽是1968年在台大興建的，但這第一座水槽由於斷面較小，在第二個水槽興建後，就不太使用，現在已被填平改為一般實驗室了。目前台灣的拖航水槽有兩座，一個在台大，一個在成大，斷面相同(8m x 4m)，但是台大的較短，僅有120m，且兩端為建築物，無法再擴大。

成大的水槽有163m長，位於地下，較為隱密，且北側為校內道路，最多可以延長至410m。這樣的斷面略嫌小，但勉強堪用，需做研究了解如何修正數據，而未來若延長則是足夠做為國家級實驗室。國外大學的拖航水槽通常較短小，僅做為教學研究用，例如建立於百年前的美國密西根大學水槽，長約110公尺，寬6.7公尺，深3.2公尺。

台灣的兩座都算學界中較大的，成大的目前排世界大學可使用的水槽第四，中國有兩座大學拖航水槽長一百七十多公尺，略大於成大的；上海交大則是在閔行校區剛新建完成一座長300公尺的拖航水槽，超過柏林科技大學250公尺長的水槽，是世界各大學中最長的；但據說因為注水後沉陷不均勻，影響軌道台車的精密性，仍在調整，還無法使用。這也凸顯了拖航水槽這種又細又長、規模大又要精密的設備在選址時的重要性。