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提升海洋工程技術–黃煌煇教授

國立成功大學副校長,水利及海洋工程研究所黃煌煇教授,以5年時間設計建構完成聞名國際的「水工及海洋實驗場」。
 
 
 
國立成功大學副校長,水利及海洋工程研究所黃煌煇教授,以5年時間設計建構完成聞名國際的「水工及海洋實驗場」。這個實驗場與裡面的高精度儀器設備可協助建設重大海岸工程,並且吸引全球一流研究機構前來進行各種合作計畫。因為黃教授對國際學術和全球海洋工程技術的提升有重要貢獻,獲頒行政院95年傑出科技貢獻獎。

全球最大室內造波池

精力充沛的黃煌煇副校長除了在成大水利及海洋工程學系擔任教授外,又擔任成大水工試驗所所長。他在1992年參與彰化濱海工業區與雲林離島工業區的建設時,為了了解濱海工業區開發對海岸環境變化的影響,決定在成大水工試驗所建造一座大比例尺的「水工與海洋實驗場」。

實驗場裡面設有高精度儀器設備和全世界最大的「室內平面造波試驗水池」(150米 × 60米 × 1.5米),可用來同步操控不規則的造波機,以進行港灣遮蔽、港池震盪、港口布置、海岸地形變遷、海岸漂沙活動、河口水理動力等大型三維水工模型試驗。同時又建造一座可供海洋結構受力、防波堤與消波塊安定、海岸沖淤、堤腳沖刷、波浪傳動、海嘯運動等二維水工試驗研究的全世界第2大「斷面試驗水槽」(300米 × 5米 × 5.2米)。

整座實驗場工程在1998年建造完成,利用這些先進設備,黃教授和他的研究團隊已協助國內完成多項重大海洋工程建設,例如雲林離島工業區水工模型試驗、核四雙溪河口流向變化、外傘頂洲保護措施水工模型試驗、麥寮港水域沖刷原因及對策研究等,對我國的經濟建設發展有重要貢獻。

黃教授是水工及海洋研究領域裡的知名科學家,水工及海洋實驗場建造完成後,立刻吸引全球一流研究機構前來洽談合作。例如成大水工所與美國約翰霍普金斯大學、麻省理工學院等多所知名大學合作的「美國國防部研究計畫」,與美國康乃爾大學及德州農工大學合作的「海嘯傳動沖刷特性研究」,與美國奧勒岡州立大學合作的「海嘯溯上運動試驗量測」,以及與日本大學合作的「波浪發電技術發展與應用」。

法國南特中央理工學院在國科會安排下推派學生前來見習受訓。日本富士電視臺也慕名前來拍攝「模擬南亞海嘯發生並傳播至海岸陸域的實驗」,以便在日本教導民眾有關海嘯來襲的避難方法。

量測波動邊界層

任何時候只要和黃教授談及水工與海洋工程研究,他立刻精神抖擻、滔滔不絕地述說著各種天馬行空的想法,而他在國際學術與工程技術上的貢獻更是令人佩服。例如對於「量測波動邊界層」的技術,就有獨到的眼光。

波浪邊界層會影響受力,波浪底層沙子的運動也是由邊界層所引起的,因此「量測波動邊界層」是研究海洋水利工程的重要技術。可是在量測時相當辛苦,因為以「雷射測速儀」量測時,必須在幾個釐米中間量測10多個點。當時日本東京大學能夠量測到的邊界層約3mm,黃教授研究團隊的學生卻可以量測到0.5 mm,想必當中另有訣竅。

1990年他在荷蘭舉辦的國際會議上發表量測技巧,這個絕頂重要的訣竅就在「雷射光束射入時的設計方式」。黃教授說:「如果整個儀器系統的設計是『以平行方式射入光束』,操作方便,速度也很快,可是光束容易被擋到,無法在接近底層處聚焦。如果能用『有角度的射入方式』,這種設計在每次操作時都要調整聚焦,運作起來比較慢,但以這種方式就可以量測到更小的邊界層。

尋找波浪裡的巨大能量

早期學術界對於波浪的觀念是「均等水深的波浪不會改變,波浪是永久性的」,這個想法在1960年代被「波浪副頻不穩定理論」所修正。不過經過黃教授研究團隊的實驗檢核後,現在又有更新的修正。

波浪本身有非線性的性質,因而會不穩定;在不穩定當中會有一些分量跑出來;各個分量又再度交互作用……不管是波與波的交互作用或單一波的非線性,所延伸出來的不穩定或產生不穩定以後的交互作用,在碎波以後就會使得波浪頻率下移。黃教授研究發現:這種波浪頻率下降現象是循環的。其他許多重要的研究成果已陸續發表在國際知名期刊上,並居國際領先地位。

倘若利用成大水工試驗所的「斷面試驗水槽」進行實驗,就可看到一個波的成長、減弱、和再度成長的現象。學術上把「波的能量不斷傳遞並且保持循環運動的現象」稱為「波的再現性」,不過對研究者來說,這裡還有一個問題亟待解決,他們正在尋找一個數值:「究竟在什麼條件下才會開始產生這種現象呢?」

黃教授的團隊以實驗驗證後已經找到一個數值:當波的尖銳度小於0.11時就會產生這種現象。而他建構水工及海洋實驗場的另一目的,就是想知道究竟是什麼原因、什麼因素,造成巨大波浪的突然出現,不久之後他便發現「波浪調變」應該是一個重要原因。所謂波浪調變是指:波浪在海上傳遞時的頻率會改變,雖然整個過程很自然地發生,但是有時候會突然產生類似「瘋狗浪」的巨大波浪。

海洋科學上對於「瘋狗浪」尚無明確定義,黃教授的看法是:「它應該和波浪的非線性交互作用有密切的關係。」也就是說:一些原本風平浪靜的小波浪,在出現某種巧合時所發生的非線性交互作用,有可能在一瞬間突然產生能量巨大的「瘋狗浪」。另一種可能是後浪推前浪,如果一個浪追另一個浪而有非線性作用時,波浪就會增高;如果浪與浪剛好在某個時間地點堆疊在一起,或許會因為調變的交互作用而產生一個很大的巨浪。

理論上來說,製造上述巨浪的方法可以用數學公式推算出來,但在實驗時卻很難製造,原因是波浪交互作用的角度要非常精準,很難用儀器操作出來。黃教授很想突破這個問題,在他的心中有一個頗具震撼力的想法:「如果能突破這個問題,得到製造這種巨浪的技術,或許可以在製造波浪的過程中得到裡面的巨大能量來使用,這麼一來,或許就可協助解決能源不足的問題!」

養大牡蠣殼製造消波塊

臺灣四面環海,我們放在海邊用來避免海岸被海水侵蝕的消波塊與海堤大都是水泥製品,水泥製品不是天然材質而且缺乏孔隙,因此有破壞海岸生態和景觀的問題。黃教授的研究團隊在國科會的資助下,從2006年開始投入牡蠣殼、塊石等天然資源的應用研究,期待能用它們取代水泥製造的消波塊。

黃教授表示,用金屬線把牡蠣殼串起來再通上大約6伏特極微小的弱電流,可令海水經過一系列的化學反應後合成碳酸鈣等基質。倘若能透過這種方法增長牡蠣並加強金屬網的強度,便可利用這個原理設計新的消波單元。由於牡蠣殼來自海洋,未來即使被海浪沖垮回到大海中也可回歸海洋,應該不致造成污染而有利於海域生態的保護,這就是所謂的「新的生態消波工法」。這種工法以學術用語來說就是:在鈣化的綱目內包覆塊石等天然材質,藉以創造「富含孔隙率及加強自重的特性」,並在綱目表面及內部增生牡蠣。

臺灣西部海岸大都是緩坡,又常出現難得一見的特性波浪,具有研究海洋水利工程的天然優勢。五十多年來,幾乎我國所有的海岸工程建設,除興建臺中港時曾聘請日本人擔任顧問外,從調查、研究、規劃、設計到施工都是由國人自己擔任的,而成功大學水利及海洋工程學系就是培育這類人才的搖籃。

近幾年來成大水工試驗所在黃教授不斷的努力下,擁有了國際級的實驗設備與研發能力,不但研究成果豐碩,更開展出與國際學術研究機構的各項合作。臺灣水工與海洋研究水準能夠臻至國際一流水準,在排名上位居全球前10名,黃煌煇教授功不可沒。

【行政院95年傑出科技貢獻獎得獎人專訪】
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