本文转载自科技大观园，原文为《船模实验在做什么？船只设计的眉眉角角》作者/科技大观园特约编辑|吴金安台湾省这几年一直在推进自主国防，经常可以看到关于国有舰、国造舰的新闻，但是你有没有想过：花了几亿的造船资金怎么知道实际的舰真的功能齐全？国立成功大学系统与海洋机电工程系副教授陈指出，为了验证船模的性能，研究人员设计了各种船模实验，广泛用于评估目前船模设计方案的性能是否符合预期，或者在建造真船之前是否存在潜在的水动力问题。
国防造船计划中的岩石战舰。图/中华民国海军全球信息网
釐清速度与阻力之间的关係：裸船阻力实验、单独螺桨实验与自航实验
船模实验中，科研人员将缩小的船模放入实验水池中进行各种操作，并对放大后的性能状态进行估算。其中，裸船阻力实验用于明确直线航行时船速与阻力的关系，进而评估如何合理匹配螺旋桨设计、马力与船体。但是，螺旋桨的推进效率会受到自身性能和船体引起的流场的影响。
裸船阻力试验。图//RGB国家研究信息系统陈教授解释，为了拆解可能的混杂变量，扩展了两个实验：螺旋桨性能实验和自航实验。在螺旋桨的单项性能实验中，会将螺旋桨放在流速恒定的均匀流体中，检查其推力，是否存在性能问题。比如螺旋桨最怕空泡。当螺旋桨通过推动水流获得前进推力时，根据伯努利定律，流体速度的增加和压力的下降可能会使水汽化，然后小气泡会改变整体流场状态，影响实验结果。即使是气泡破裂时产生的微小力量也会逐渐侵蚀叶片表面。如何设计出既能产生强大推力又能最大限度减少空泡的螺旋桨，光靠螺旋桨的性能测试。
自航实验用于处理螺旋桨与船体的匹配问题。在裸船阻力实验中，船首被拖曳水池中的仪器拖拽加速，而螺旋桨在实船行驶时从后方推动船体，产生不同的流场。不同的船体设计也会造成进入螺旋桨的水流不同，可能导致实际阻力不同。这时就需要通过自航实验，获得螺旋桨与船体相互作用后的综合修正性能结果。相反，如果单独缺少裸船阻力实验和螺旋桨性能实验，在自航实验不理想的时候，科研人员很难分析出哪个部分出了问题。
00-1010陈教授也提到，前面提到的相同螺旋桨的不同船体可能产生完全不同的效果，这是由于不同船体产生的尾流场不同。因此，需要额外的实验来确定如何匹配和设计螺旋桨。即使在船体设计不佳，导致流场速度差异过大的情况下，我们也可以考虑重新设计船体或者加装整流器。虽然整流器会增加一点阻力，但如果能显著提高螺旋桨效率，会有弥补的效果。
船尾拖流实验也引出了船舶研究的一个重要课题。——计算机运算速度还不够快，不能投入实际使用，船模实验还是有必要的。目前，计算机还不能直接、快速、准确地处理湍流，超级计算机要计算一艘匀速航行的潜艇的流场还需要上千年的时间。但是，即使用湍流模型来模拟流场以加快速度，精确模拟的另一大挑战是必须向计算机提供足够详细和精确的初始和边界条件，以保证模型模拟结果的准确性。在实践中，船模实验和计算机模拟
00-1010即使通过船模实验，真实比例的真船在航行时仍然会遇到突发情况。湍流就是其中之一。由于流体的粘滞力，流体在行驶时会在船体表面形成一层称为边界层的薄膜。边界层前部为规则层流，中后部为不稳定湍流。船模和实船前进时，湍流在流场中的相对位置是不同的。因此，在船模实验中，可能会在船首贴上砂纸或钉子作为湍流器，希望模拟放大成实船后出现类似的湍流边界层特征。
前段为规则层流，中后段为不稳定湍流。图//维基百科另外，制造技术产生的公差被置于船模和实船之间，也会导致尺度不同的影响。一厘米的误差对实船可能影响不大，但对船模来说可能会大大改变流场。因此，船模必须具有一定的尺寸和精度，才能使流场接近实船。比如大型商船的船模需要6-8米。
00-1010船模试验不仅要求几何相似，还要求运动学和水动力学相似，以保证结果的有效性。几何相似是指船模的形状必须与实船相似，运动学相似是指流场形状、速度和压力分布必须相似。最复杂的动力相似要求作用在船模上的各种力之间的比例关系必须相互对应，如流体在流场中的粘性力和运动产生的惯性力。
与波浪所形成的重力波。但由于实验中上述三种作用力，两两间的比例关係无法同时满足：
- 若想固定惯性力与黏滞力间的比例，「船速度 × 船长」必须为一常数。
- 若想固定惯性力与重力之间的比例，则是「船速度 ÷ √船长」 必须为一常数。
由上面的公式可以知道，船模较实船尺寸缩小，因此若想让 1. 比例维持一致，则船只速度要增加。但同时想要固定 2. 的比例，则要求船只速度缩小，两者是相互矛盾的。因此陈政宏教授也提到实务上，通常会牺牲惯性力与黏滞力的比例，因为通常紊流流场中惯性力对黏滞力的比例够高。此时在紊流完全发展下，惯性力对黏滞力的比例差异造成的影响差异较小。
让船只前进更有效率：减少阻力的方法
根据造成阻力的原因，研究者们发展了各种方式降低船只行进中受到的阻力。船只在流体中前进主要会受到三种类型的阻力影响：
第一种是最直观的表面摩擦力，可以透过使用光滑材质设计船体，或是疏水性或亲水性镀膜、涂料减少摩擦力。但儘管镀膜与涂料在实验中取得很好的成效，实务上仍有诸多挑战，例如：实船长期航行涂料脱落重新上涂料成本巨大、涂料是否环保，如海洋生物附着在船体也会增加表面摩擦力等原因，都是降阻方案投入实务领域面临的挑战。
第二种阻力为船只行进时造成的波浪，透过船壳形状设计可以减少行进时製造的波浪，例如斧艏与剑艏利于破浪；或是流行近百年的球形艏，在船艏水面下的部分设计突出的钝形构造，能在水面下先製造一个波浪与船艏製造的波浪抵销。此外，整体船型在细尖的船艏、宽敞的肩部与舯段、船艉之间，不能太快变宽或收拢，才能减少造浪。
最后一种为黏性压差阻力，源于垂直于船体表面的压力。船体左右对称左右合力抵销，但船艏由于船体向前进压力较大，船艉由于原本贴于表面边界层中的流体因为速度下降剥离，形成紊流区，使压力降低。这使得整体压力的合力向后，形成阻力，需要透过流线型船壳与较佳的船艉设计解决。
为实际航行提供指引：耐海与运动操纵性能实验
陈政宏教授也补充，前面提到的实验都还只是在静止水域观察船模性能，但实际航行时海象变化莫测，还需要评估船体在有浪环境的性能表现，才能确保安全。此时会先使用造波机製造固定波高与波长的规则波浪，观察船模在规则波浪中前进受到的阻力，以及在空间中六个自由度(前后、左右、上下、俯仰、横摇与平摆)上的运动。进一步也会参考实际海浪观测资料中各种波长的机率分布，模拟做出不规则波浪，同时检视各角度海浪拍打下船模的运动状态。另外也会做迴旋、之字形航行……等各类操纵，完整了解运动性能。这些数据日后都能提供给船东或船长参考，判断当船遇到各程度的海浪时，船只速度下降、耗油增加程度，或是在何种海况下船只应该停航以确保安全。
不只要够大，还要够安静的水域：潜航器自航实验
相较于水面上航行的船只，潜航器自航测试类似无人船的概念，将模型放置在够大的水体后，依靠装置于潜航器上量测设备，记录其航行姿势、尾舵方向与力道、航行轨迹。因为需要在够大的水体中进行，英国便是在人工兴建的水库中进行测试，也较容易控制环境变数。而基于军事需求潜艇也强调匿蹤、安静性能。因此挑选的水域不能够太过吵杂，周边有过多的游憩设施、码头的噪音都可能干扰实验结果。也因为要考虑声学目的，对水域大小需求又会比一般自航实验更大。以美国为例，则是找到位于爱达荷州由天然冰川侵蚀形成的湖泊 Lake Pend Oreille，狭长数十公里，且周边只有少数聚落，成为进行潜艇实验的理想场地。
整体而言，设计船只时要解决的流体力学问题，主要有阻力与流场中的紊流。陈政宏教授最后提到，实务上同时需要船模实验与电脑模拟数据相辅相成，从裸船壳到螺桨整合；从静止水域到动态水域航行测试，经过一系列船模实验评估，最终才能确保实船可以兼具性能与安全的扬帆启航。
参考文献
- 国舰国造需要怎样的国家级船模实验室？（二）船模实验室种类与现况
- 国舰国造需要怎样的国家级船模实验室？（一）流体动力学问题
- 国舰国造需要怎样的国家级船模实验室？（三）未来船模实验室的发展建议
- 海洋议题融入与船模製作课程，国立台湾科学教育馆
- 拖航水槽主要船模试验项目之技术改善与比较分析
- 利用流体中的隐形杀手–翼尖涡及翼尖帆
- 台湾杰出女科学家系列专访，持续更新中！
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