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
今年二月下旬海委会的国家海洋研究院宣布，规画在兴达港建置国家船模实验室，主要是要新建船舶运动及耐海性能水槽。
▲国家海洋研究院想在兴达港成立「国家级船模实验室」。（图／翻摄自经济部）
而科技部与国防部合作，去年底对大学公开征求的「学研中心」专案计划最近也即将审查完成，其中主题领域二「先进船舰及水下载具」中也有个重要项目是船舰及水下载具性能测试与验证。
显然船模实验对于设计舰艇及水下载具而言相当重要，也必须尽量不假手他国以防泄密。
为什么现在电脑模拟已经很厉害了，还要辛苦地做实验呢？我国需要哪些船模实验室？现有能量又如何？未来又还需要投入哪些资源呢？
无论水面或水下、有人或无人的船舰或会移动的机器，和飞机、飞弹一样可以称为载具（vehicle）。
他们都是在立体空间中自由移动不受限，可以有六个自由度运动，包括三种直线运动：纵移（前后移动）、横移（左右移动）、起伏（上下移动） ，以及三种旋转运动：俯仰（纵摇）、横摇、平摆（水平面上旋转）。
当载具移动时，因为速度与尺寸都够大，周围的流体会形成紊流。
▲美国海军海狼级核子动力快速攻击潜舰「康乃狄克号」（USS Connecticut，SSN-22）。（图／取自美国海军官网US Navy）
偏偏紊流是物理学家费曼口中「古典力学中最重要且尚未解决的问题」，而流体力学统御方程式中的动量守恒方程式，也就是牛顿第二运动定律的流体力学版，是一组复杂的非线性偏微分方程式，名列十大最困难未解的数学问题，比费马最后定理还难，数学家至今束手无策。
但是工程师不能等数学、物理学家的解答，必须立刻解决每天船舰、飞机会面临的流体动力学问题。因此，在载具的设计阶段想看看设计方案好不好，只能用电脑数值模拟，或者做精密的模型实验来验证。
电脑模拟
虽然现在电脑速度很快了，但对于真实机舰的流体力学的直接计算模拟来说还是太慢。
若以现在全球最快的超级电脑日本富岳的尖峰速度，每秒运算十的十八次方浮点运算来宽估，直接模拟计算一艘荷兰海象级长67公尺左右的潜艇，以20节速度航行时的流场，大约要算100万年才算得完！
这样当然不切实际。
▲即便超级电脑性能强大，但依旧难模拟真实机舰的流体力学。（示意图／达志影像／美联社）
所以计算流体力学都会将这个动量守恒方程式简化，至少把其中一个高度耦合项以人为的模型取代，使得计算时间大幅缩短到数天左右。
但也因此无法考量某些物理机制，造成某种程度的误差；另外有些误差来自计算方法，例如网格切分等技术。
所以，即便现在的电脑模拟比实验方便、便宜，在设计初期的粗略计算模拟后，工程师还是需要把最后的设计方案以实验模型验证。
实验验证的必要
实验当然也会有误差，因此实验模型越造越大，以求减少因船模外型制造精度极限造成的几何误差，而影响流场的正确性。
目前世界一流的船模实验室对水面中低速船大概会用6~8公尺长的模型，而潜舰至少大约3、4公尺长，但误差要求都在1 mm等级。
换句话说，长达数百公尺的船模实验室是一般大型土木工程的等级，但是里面的轨道、台车、测量仪器、模型的精度要求则是精密机械等级的。
▲台船公司文物馆展示在德国拖航水槽实验过的船模。（图／作者提供）
如果不注重拖曳模型的轨道、台车及测量力量、姿态、速度的仪器之精密度，每个地方都有5~10%以上的误差存在，累积下来，整个实验的测量不确定性会过大到没有参考价值的地步。
因此对于实验设备、仪器、操作人员的素质与经验也都需要处处讲究精准。
这个考量甚至会影响实验室的选址！如地下岩盘很深的沉积地质就不够好，完工后可能因为水槽两端的沉陷速率不同而造成高度落差，要等待多年才能稳定使用；也可能在大地震过后，轨道扭曲变形不再平行，而需常常校正。
这里所谓的变形其实都是很小的量，肉眼不一定看得出来，但已经足以干扰台车的稳定，影响实验的精密度。
潜舰与太空船都是集各种精密与尖端技术于一身的复杂系统，并列人类科技文明的最高指标不是没有道理的。
热门点阅》
► 台铁出轨》蓝弋丰／痛定思痛勿再作漂亮文章、满口「庄子式」大改革
► 台铁出轨》苦苓／台铁真的没救了吗？
► 卢信昌／叶伦吁设置全球最低企业税！财源筹措？还是美国重返全球化？
● 以上言论不代表本网立场，欢迎投书《云论》让优质好文被更多人看见，请寄editor88@ettoday.net或点此投稿，本网保有文字删修权。