▲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）
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。
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。
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。
原文網址:
https://forum.ettoday.net/news/1957866
▲拖航水槽。（圖／翻攝自網路）
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。
（二）船模實驗室種類與現況
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。
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。
▲成大拖航水槽。（圖／陳政宏提供）
台灣沒有(B) 耐海及運動性能水槽，為了潛艦與水面船艦的長遠發展，不斷修正改良設計之需，應該需要興建一座夠大的。這也是國海院目前規劃要興建的。未來若有機會興建，我會建議比照印度海軍五年前新建的水槽，約為130m x 40m x 6m。
(C) 空蝕水槽：位於基隆的海洋大學有一座大型的空蝕水槽，是全世界第三大；海大另有一座中型的，兩座小型的則在台大與成大。中型與大型的都足供新式船艦發展使用，僅需整修維護、健全體制。小型的只能進行一般研究與教學使用。
因為之前沒做過潛艦設計及深入的研究，台灣也還沒有(D) 天然或人工實驗水域，但是未來可以考慮找合適又隱密的內陸水域。
▲船艦及水下載具之測試實驗項目與國內設備。（圖／陳政宏提供）
原文網址:
https://forum.ettoday.net/news/1962926
▲興達港1956年老地圖套疊可知該處原為淺灘、鹽田。（圖／翻攝於網路）
我們想讓你知道…
無論哪種經營模式，最重要的是政府需要有長期發展造船工業的決心，在相關部門（無論是海軍、海巡署、交通部及地方政府）擔任各類公務船或交通船船東的角色時，能夠堅持由國內自主設計、建造、評估改良的良性循環。
（三）未來船模實驗室的發展建議
無論是國海院未來的國家及船模實驗室，還是科技、國防兩部「學研中心」計畫中船艦及水下載具性能測試與驗證方面需要加強基礎研發能量，如果未來有比較大型的國家級實驗室，除了實驗技術面的精進與挑戰外，選址以及如何規劃、經營、管理將會是更重要的。
新水槽選址宜重新考量
船模實驗設施需要考慮的重要因素至少包括：鄰近業界（設計單位、船廠、船東多半在高雄）的程度、與教學研究社群的鄰近程度（海大、台大、成大、高科大、海洋產業船舶發展中心）、交通便利性（人員與模型運輸往來）、地質與天災的風險、土地取得及興建成本等。
新建水槽地點的地質考量：無論是深水池、拖航水槽、運動性能水槽等，建議還是找地質較好的地方，無論是從國內經驗或國外的經驗，最好能直接座落在岩盤上比較穩固、不會改變，完工後的沉陷較少、較均勻，或大地震後的影響較小。美國海軍1930年代興建David Taylor水槽時曾在華府近郊考量數十個地點，最後擇定的現址就是基於岩盤考量。
另外，考量空蝕水槽位於基隆，其他實驗場地都可能在南部，因為運送螺槳模型（約25cm直徑）比運送船模（長4~8m）容易、方便、易保密，且考量與海軍、台船等造船產業較近，也有成大、高科大等相關科系可支援，讓大部分實驗場地都位於台南、高雄一帶是比較合理的選擇。
至於興達港，國海院目前規劃的基地位於北側，用中研院百年歷史地圖套疊比對1956年地圖、1970的航照圖後，可以發現此處以前是淺灘、泥地、鹽田，地質似乎不良。
由內政部土壤液化潛勢圖查詢，此處也是中度風險區域。而岩盤深度需相關探測報告才能得知，但由沿海相似場址的經驗推估，應該很深。
因此為了避免多花錢進行土質改良工程，而結果仍須面對完工後需長期等待地質狀況穩定的風險，如上海交大的案例般，或許應該另外選擇有穩定地質，且岩盤離地表較淺的地點為宜。
▲興達港1970年航照圖套疊可知該處原為淺灘、鹽田。（圖／翻攝自網路）
例如成大拖航水槽位於台南市東區高地上，岩盤位於地下十幾公尺處，相當於一般校舍大樓地下室開挖深度而已，且以其完工二十餘年的經驗看來相當穩定，就是比較理想的地點。
▲興達港土壤液化潛勢圖可知目前規畫場址為中潛勢區。（圖／翻攝自網路）
但因此處已無大面積校地可供使用，需要另尋他處。目前看來，有些可能場址可以深入評估：成大歸仁校區、台南高鐵站周遭、台南高雄地區的台糖農場、原日本海軍鳳山無線電信所東側、鳳山的幾處軍校、左營軍區等，似乎都可再深入評估。
經營模式
基於前文所述我國目前已有的相關實驗室情形，未來有幾種可能的規劃。但無論哪種模式，前提是須支持其所屬管理單位編列充足的建置經費，以及未來每年的年度人事、保養維護、研究經費的預算，以維護長年成熟運作。
但其風險也在於此，如果未來海軍、造船業界、主要的公、民船東沒有想要在造船設計上持續進步、保持國輪國造、國艦國造政策的話，使用這些實驗設備的研究需求就會過低，導致技術人員、儀器設備維護的困難。
▲近日因藍委質疑，興達港「國家船模實驗室」的興建是否將受高雄市政府主導BOT案影響，連帶使該案受到輿論關注。（圖／記者林敬旻攝）
相關的基礎船舶科學研究經費也需要長期穩定，在沒有船舶設計案需要驗證時，也需提供實驗室維持研究人員、技術人員、儀器設備得以保持水準的最低限度費用。以下簡述幾種可的模式。
（A）新建完整的國家級船舶實驗研究中心
由國家海洋研究院編列充足預算，新建一整套可比照外國知名水槽，規模甚至超前的國家級拖航水槽。
這種模式的好處是所有的儀器設備可以用最新最好的，但缺點是總經費較為龐大。
理想中的尺寸，拖航水槽長350~400m、寬16m深 6m；耐海及運動性能水槽長約120~150m、寬40m深 6m；空蝕水槽則與海大目前的大型水槽相同。
在此方案中，成大及台大的水槽維持原樣，可做為上述國家水槽的備援；但對學校而言，應該對外接案應該會受影響而減少，增加長期經營的挑戰。行政上，此方案與各校無關，比較簡單。
（B）與大學合營
為了節省經費、提高維護的效率與使用的可靠性，與有水槽使用管理經驗的大學合作是另個可行的方案，具體來說可能有兩種模式：（B1）合組法人或公司，共同管理；與（B2）委託大學經營。
但學校每年一~兩次，各自不超過一週的教學活動，仍需有優先使用權。
（B1）由提供既有實驗設施的學校（如成大拖航水槽、海大空蝕水槽）與海研院合組公司或非營利法人機構，並依照各自貢獻的合理比例分配股份及董事席次。
新建的耐海及運動性能水槽及其他各地既有設備交由此新單位經營管理，維護、人事費用亦同。此種方式需要較長時間討論規畫細節，但在目前法規架構下已經可行。
（B2）由國海院與各校簽訂長期合約，國海院提供人事編制與經費、基礎維護費、年度研究計畫等，委託大學經營管理，並有優先研究使用權。
名義上雙方合組此實驗研究中心，且人事權屬海研院，實際運作上與各校管理者共同管理。此方案牽涉較複雜的人事、財務、事務管理的權責安排，以及現有法規架構是否足夠的問題，需要研究釐清。
（C）委託大學合作研究
將成大拖航水槽、海大空蝕水槽，以及未來新建的耐海及運動性能水槽租給有造船科系的大學後，國海院作為單純的長期特約使用客戶，享有最優先研究使用權，每年有固定長度的使用時間，而須每年提供足額之研究計畫、基本保養費用、人事費給學校方執行，其餘水槽管理方式由學校自主。
此項優點是不涉及產權、管理權、人事權的安排，只有長期合約的關係，為目前一般委託研究計劃的延長版。
無論哪種經營模式，最重要的是政府需要有長期發展造船工業的決心，在相關部門（無論是海軍、海巡署、交通部及地方政府）擔任各類公務船或交通船船東的角色時，能夠堅持由國內自主設計、建造、評估改良的良性循環；國海院也能扮演類似工研院、中研院的角色，長期編列基礎與應用研究經費，提供院內研究單位、院外學界及業界研究經費。這些錢及人力編制只要有一定最小數量，不需要很多，但要長期且穩定，以形成健康的學術及專業社群。
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