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船模實驗在做什麼?船隻設計的眉眉角角

110/11/23 瀏覽次數 346

成功大學系統及船舶機電工程學系陳政宏副教授專訪

臺灣近年推動自主國防,時常可以看到國艦國造的相關新聞,但你有沒有想過:所費不貲動輒數億的造船經費,要如何知道實船完工是真的功能完整的呢?國立成功大學系統及船舶機電工程學系副教授陳政宏指出,為了驗證船隻模型性能,研究者們設計了各種船模實驗,廣泛用於建造實船之前評估目前船隻設計方案的性能是否符合期望,或是存有潛在流體動力學上的問題。

磐石軍艦

國防自主艦國造計畫中的磐石軍艦。圖/中華民國海軍全球資訊網

釐清速度與阻力之間的關係:裸船阻力實驗、單獨螺槳實驗與自航實驗

船模實驗中研究者將縮小船模置於其中實驗水槽進行各種操作,並推估放大後的性能狀態。其中,裸船阻力實驗便用來釐清直線航行時,船隻速度與阻力之間的關聯,進而評估推進器設計、馬力與船體如何搭配恰當。然而,螺槳產生推進力的效能同時會受到其本身性能與船殼造成的流場交互影響。

裸船阻力測試

裸船阻力測試。圖/RGB國家研究資訊系統

陳政宏教授解釋,為了拆解可能的混淆變項,因此又衍伸了兩種實驗:螺槳單獨性能實驗、自推實驗。螺槳單獨性能實驗中,螺槳會被放置在一個均勻、流速固定的流體中檢視它的推力大小,以及是否有性能問題。例如螺槳最怕遇到的空蝕 (Cavitation) 問題,當螺槳透過推動水流取得前進的推力時,根據白努利定律,流體速度提高、壓力下降便可能使水氣化,進而出現小氣泡改變整體流場狀態影響實驗結果,甚至氣泡破裂時產生微小的力量也會逐漸侵蝕葉片表面。如何設計出能產生強大推力,但最小化空蝕現象的螺槳,便要依靠螺槳單獨性能實驗。

自航實驗則用來處理螺槳與船殼的搭配問題,裸船阻力實驗中,船首在拖航水槽中由儀器拖動加速,而實際船隻運行時螺槳從後方推動船殼,兩者間產生的流場不同。不同船殼設計也會造成進入螺槳的水流不同,使得實際阻力可能不同。此時便需要透過自推實驗取得螺槳與船殼交互作用後的綜合性、修正後的性能結果。相反的,若缺少裸船阻力實驗與螺槳單獨性能實驗,當自推實驗不理想,研究者也難以分析是哪個部份出現問題。

了解船模製造的流場分布:艉跡流實驗

陳政宏教授也提及,前面提到不同船殼搭配同個螺槳可能產生截然不同的效果,源於不同船殼尾部產生的艉跡流流場不同。因此需要額外實驗以決定如何搭配、設計螺槳,甚至當船殼設計不佳,導致流場流速差異過大,也能夠考慮重新設計船殼或增加整流器。儘管整流器會增加些許阻力,但若能顯著提升螺槳效率反而有亡羊補牢的效果。

艉跡流實驗也帶出船隻研究的重大議題——電腦運算速度仍不夠快到能投入實用,因此船模實驗仍有存在的必要。目前電腦還無法直接、快速、精確地處理紊流的問題,超級電腦要花上千年才能算完一艘潛艇定速航行時的流場。然而即使使用紊流模型模擬流場以加快速度,也會面臨精確模擬的另一大挑戰是必須提供足夠多、詳細且精準的初始與邊界條件給電腦,才能確保模型模擬結果的準確性。實務上,通常是船模實驗與電腦模擬兩者並重,對船隻設計進行評估。

實船放大後仍會遇到許多變數-紊流與製造技術限制

即使通過船模實驗,真實比例的實船航行時仍會遇到預期外狀況。紊流便是其中之一,因為流體的黏滯力,行進時流體會在船體表面形成一層稱為邊界層的薄膜,邊界層前段為流動較規則的層流,中後段則是不穩定的紊流。船模與實船時前進時,紊流在流場中出現的相對位置不同。因此船模實驗可能會在船艏貼上砂紙或釘子作為激紊器,希望模擬放大為實船後會有相似的紊流邊界層特性。

層流

前段流動較規則的層流,及中後段不穩定的紊流。圖/wikipedia

此外,製造技術產生的公差放在船模與實船,也會導致不同尺度的影響。一公分的誤差對實船或許影響不大,但對船模而言可能改變流場甚鉅。所以船模也必須有一定尺寸並製作精密才能製造貼近實船的流場,如大型商船船模需要在6-8公尺最為恰當。

如何確定船模實驗結果可以類推到實船:幾何、運動學與動力學相似性

船模實驗為了確保結果有效性,不只要求船模符合幾何相似,還需要運動學與流體動力學相似性。幾何相似指的便是船模外型須與實船相似,運動學相似則是指流場形狀、流速與壓力分佈必須相似。最複雜的動力學相似,要求船模受到各種作用力間彼此的比例關係必須對應,如流場中流體黏滯力、移動產生的慣性力與波浪所形成的重力波。但由於實驗中上述三種作用力,兩兩間的比例關係無法同時滿足:

  1. 若想固定慣性力與黏滯力間的比例,「船速度 × 船長」必須為一常數。
  2. 若想固定慣性力與重力之間的比例,則是「船速度 ÷ √船長」 必須為一常數。

由上面的公式可以知道,船模較實船尺寸縮小,因此若想讓(1)比例維持一致,則船隻速度要增加。但同時想要固定(2)的比例,則要求船隻速度縮小,兩者是相互矛盾的。因此陳政宏教授也提到實務上,通常會犧牲慣性力與黏滯力的比例,因為通常紊流流場中慣性力對黏滯力的比例夠高。此時在紊流完全發展下,慣性力對黏滯力的比例差異造成的影響差異較小。

讓船隻前進更有效率:減少阻力的方法

根據造成阻力的原因,研究者們發展了各種方式降低船隻行進中受到的阻力。船隻在流體中前進主要會受到三種類型的阻力影響:

第一種是最直觀的表面摩擦力,可以透過使用光滑材質設計船體,或是疏水性或親水性鍍膜、塗料減少摩擦力。但儘管鍍膜與塗料在實驗中取得很好的成效,實務上仍有諸多挑戰,例如:實船長期航行塗料脫落重新上塗料成本巨大、塗料是否環保,如海洋生物附著在船體也會增加表面摩擦力等原因,都是降阻方案投入實務領域面臨的挑戰。

海洋生物

海洋生物附著在船體會增加表面摩擦力,需要定期清理。圖/flickr

第二種阻力為船隻行進時造成的波浪,透過船殼形狀設計可以減少行進時製造的波浪,例如斧艏與劍艏利於破浪;或是流行近百年的球形艏,在船艏水面下的部分設計突出的鈍形構造,能在水面下先製造一個波浪與船艏製造的波浪抵銷。此外,整體船型在細尖的船艏、寬敞的肩部與舯段、船艉之間,不能太快變寬或收攏,才能減少造浪。

最後一種為黏性壓差阻力,源於垂直於船體表面的壓力。船體左右對稱左右合力抵銷,但船艏由於船體向前進壓力較大,船艉由於原本貼於表面邊界層中的流體因為速度下降剝離,形成紊流區,使壓力降低。這使得整體壓力的合力向後,形成阻力,需要透過流線型船殼與較佳的船艉設計解決。

為實際航行提供指引:耐海與運動操縱性能實驗

陳政宏教授也補充,前面提到的實驗都還只是在靜止水域觀察船模性能,但實際航行時海象變化莫測,還需要評估船體在有浪環境的性能表現,才能確保安全。此時會先使用造波機製造固定波高與波長的規則波浪,觀察船模在規則波浪中前進受到的阻力,以及在空間中六個自由度(前後、左右、上下、俯仰、橫搖與平擺)上的運動。進一步也會參考實際海浪觀測資料中各種波長的機率分布,模擬做出不規則波浪,同時檢視各角度海浪拍打下船模的運動狀態。另外也會做迴旋、之字形航行……等各類操縱,完整了解運動性能。這些數據日後都能提供給船東或船長參考,判斷當船遇到各程度的海浪時,船隻速度下降、耗油增加程度,或是在何種海況下船隻應該停航以確保安全。

不只要夠大,還要夠安靜的水域:潛航器自航實驗

相較於水面上航行的船隻,潛航器自航測試類似無人船的概念,將模型放置在夠大的水體後,依靠裝置於潛航器上量測設備,記錄其航行姿勢、尾舵方向與力道、航行軌跡。因為需要在夠大的水體中進行,英國便是在人工興建的水庫中進行測試,也較容易控制環境變數。而基於軍事需求潛艇也強調匿蹤、安靜性能。因此挑選的水域不能夠太過吵雜,周邊有過多的遊憩設施、碼頭的噪音都可能干擾實驗結果。也因為要考慮聲學目的,對水域大小需求又會比一般自航實驗更大。以美國為例,則是找到位於愛達荷州由天然冰川侵蝕形成的湖泊Lake Pend Oreille,狹長數十公里,且周邊只有少數聚落,成為進行潛艇實驗的理想場地。

整體而言,設計船隻時要解決的流體力學問題,主要有阻力與流場中的紊流。陳政宏教授最後提到,實務上同時需要船模實驗與電腦模擬數據相輔相成,從裸船殼到螺槳整合;從靜止水域到動態水域航行測試,經過一系列船模實驗評估,最終才能確保實船可以兼具性能與安全的揚帆啟航。

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