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一層樓高的氣象雷達球成功上船啦!美國研究船「莎莉萊德號」的神秘任務是什麼呢?

Suzuki
・2019/10/30 ・4631字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

八月底,美國海軍所屬的研究船「莎莉萊德號(Sally Ride)」在基隆港邊短暫停留。這艘船身懸掛「中華民國」國旗、長度將近 73 公尺、3000 噸的大洋級研究船,格外引起大家的注意。

這難道有什麼八卦嗎?其實,莎莉萊德號剛剛結束印度洋的任務,停泊在基隆港邊,進行補給和研究人員更替的任務,而船身掛國旗其實是對停泊港國的尊重。

莎莉萊德號首次來到臺灣,停泊基隆港補給,之後前往帛琉海域執行 PISTON 計畫。(圖片提供/臺大海洋研究所)

儘管沒有軍事八卦,這艘莎莉萊德號的來頭實在不小!2016 年由美國耗資 8900 萬美金(約台幣 27 億)打造完工,最長可在海上闖蕩 42 天以上。

目前是美國最新的大洋級研究船,交由美國聖地牙哥史奎普斯海洋研究所管理。船內不僅裝載十幾項最新海洋科學儀器,甲板作業區也相當寬敞。前甲板可放置一個 20 呎貨櫃實驗室,後甲板則可放置三個,

而本次莎莉萊德號來到基隆,一直與美國海洋研究緊密互動的臺灣大學海洋研究所,因此受美國 PISTON 研究團隊之邀,得以上船參觀。

不可能的任務:一層樓高的氣象雷達球上船

一登上船,臺大大氣科學系教授林博雄的讚嘆之情溢於言表,驚呼:「把整顆氣象雷達球搬上去,是件不可思議的事!再加上放置數據的貨櫃實驗室,這艘研究船儼然是行動氣象站。」

這艘研究船共有三顆雷達,分別是兩小顆位於船頂最高處的通訊雷達和一大顆位於船首的氣象雷達。這顆氣象雷達將近一層樓高(4.3 公尺),功能相當於氣象局放在山上觀測雲滴的氣象雷達,而貌似足球的外型是雷達的罩子。

你注意到Sally Ride上有三顆大球嗎?船頭那顆最大就是氣象雷達喔!(圖片提供/臺大海洋研究所,拍攝連政佳)

這顆氣象雷達是俄勒岡州立大學 (Oregon state university) 所屬的「海基型雙偏極化氣象雷達」(ship deployable dual-polarization meterological rada, SEA-POL)。技術人員特別從美國飛到臺灣,運用一週的靠港時間,將雷達完成組裝、測試後,再用吊臂將雷達與實驗室放在前甲板上。

林博雄表示,海上雷達運轉不只要需要克服船上的強烈風速及搖晃,而快速從零搭建、組裝雷達也是門學問。

目前為止,自 2018 年啟用至今,只有三艘船使用過這顆氣象雷達,莎莉萊德號便是其中一艘。

SEA-POL原本並不在船上,是在地面安裝完畢後,由吊臂掛上去的(圖片拍攝/簡鈺璇)。

這種雷達是最新型的雷達設施,能藉由發射水平和垂直兩方向的電磁波,再依據都卜勒效應回推水平、垂直方向的回波,就可推測雷達周遭的雨滴型態、降雨機率和降雨量1, 2。它能在每十分鐘完成一次雨量觀測、雲滴分析,經過資料處理後,就能繪製即時雨圖。

SEA-POL的資料,可以分析雲滴的組成成分(圖片拍攝/簡鈺璇)。

而且波段是 C-band,觀測距離能延伸至 200 公里,解析度為 100 公尺,相當於每 100 公尺有一個雨量站。

一般來說,氣象雷達常見的波段有 10公分(S-band)、5公分(C-band),3公分(X-band)。S-band 波長最長,發射距離最遠,可達 400 公里,但雷達半徑最大、耗電大、建置成本高,是氣象局使用的觀測雷達;相反的 C-band 的波長較短,解析度高,可檢視更小的雲滴,但信號容易衰減,適合小地方的觀測,加上零組件較小,機動性更強。

從雷達球的內部可知,SEA-POL 其實是個大耳朵(圖片拍攝/簡鈺璇)。

「大足球」的秘密任務:研究海上氣團 BSISO

大家可能會好奇:為何要特地在台灣將氣象雷達搬上船呢?這跟 Sally Ride 的任務有關。

莎莉萊德號離開臺灣基隆後,將至帛琉海域進行為期 25 天的海上研究,執行美國、菲律賓和臺灣合作的「季內熱帶震盪的傳播觀測計畫」(Propagation of Intraseasonal Tropical Oscillations,PISTON)。PISTON主要研究目的為瞭解「北半球夏季熱帶季內震盪現象」( Boreal summer intraseasonal oscillation,BSISO)原因。

BSISO 聽起來好像很複雜,但一點也不難喔!簡言之,你可以想像大氣就像一個盒子,裏頭有不同的勢力在互相影響,BSISO 就是其中一股勢力。

它是赤道周圍有一坨氣團,裡頭有對流區旺盛和無對流兩區,這坨氣團以每 30-60 天為一個週期,由印度洋東側自西向東至太平洋中央移動,此氣候現象現象類似於馬登-朱利安振盪(Madden Julian Oscillation, MJO)3。由於準確度、現象描述的差異,MJO 指數通常適用於北半球冬季觀測,BSISO 指數則適用於夏季。

美國氣候預報中心(CPC)在2006年的MJO指數的變化(五日移動平均、EEOF分析)。縱軸為時間軸,橫軸為經度。圖中顯示對流活動較強的藍色區域,隨時間而向東移動(從4/16-6/16),約每30-60天為一個循環(圖取自維基百科)。

當 BSISO 對流區掃過的地方,就會帶來豐沛的降雨。過往研究指出, BSISO 主要對流區從菲律賓海向西北移至台灣附近時,會使西南風更強,臺灣降雨量更大。BSISO 也會影響颱風、陸上高溫的變化,氣象局科技中心在2015年也加入 APCC(亞太經濟合作會議氣候中心)的 BSISO預報實驗。4, 5

目前科學家未完全掌握 BSISO 的成因,而 PISTON 任務便是透過海氣交互現象相關參數的觀測,釐清水和空氣在海洋與大氣層之間交換的過程,如何影響 BSISO 的發展與移位,這對於東南亞國家、臺灣預報颱風生成和降雨皆有助益。

氣象歸氣象,海洋歸海洋?不行!海氣會有交互現象

PISTON 研究團隊結合了海洋物理、大氣專家進行研究。大氣組會利用雷達(SEA-POL、W-band 雷達)、氣象塔,以及定點施放探空氣球,來蒐集數據,跑數值模型進行分析;海洋組則會利用「紊流儀」,分析海表水溫、海洋上層流速、紊流、水文剖面等觀測。

這裡出現了一個關鍵字「紊流」,紊流指的是亂流,例如水碰到障礙物時,水中產生擾動或漣漪就是紊流。好der,那紊流與海氣現象又有什麼關係呢?為什麼研究氣候現象要特別觀測紊流呢?

試想我們在靜止的水面上加熱,熱其實是很難傳到底層的,但如果拿根棒子在水上攪動,熱就傳下去了。臺大海洋研究所副教授張明輝表示,紊流就像攪拌棒,能將太陽的熱從海表面傳下去,一定要有紊流,海洋和大氣的交互現象才會進行,上層的熱下去,底層的冷水上來,造成海水溫度變化及風向改變。著名的聖嬰現象,就是東太平洋水溫上升,使得赤道東風減弱,導致太平洋東岸出現乾旱。

張明輝解釋,海溫跟風向會不斷箝制,風帶起海底層的冷水,但冷水又讓上方空氣冷,會使大氣對流變得薄弱,風就又變小了,此時底層海水又上不來了,這是個複雜的交互作用,也是 PISTON 研究需要湊合大氣和海洋物理專家的原因。

PISTON 量測紊流的儀器有兩種,都是研究團隊自行開發的,一是像洗衣板型的儀器「Surfotter」,上面會掛溫度計,以及測海水導電度的溫鹽探儀,主要是掛放在距離船 200 公尺處,測量近海表層紊流所造成的現象;二是像掃帚的長型紊流儀「Chameleon」, 設計成掃帚是為了讓紊流儀可以垂直、慢慢下降至海底觀測區,主要是測量海洋混合層(200公尺)以下的紊流現象。

測量紊流的儀器有兩種,此為類似洗衣板的Surfotter,會掛在船的兩側約200公尺處,上面一根根桿子裡都有放溫度計,最下面的白色筒子是鹽度計(圖片提供/謝欣崧)。
掃帚型的紊流儀Chameleon,是垂直觀測紊流的儀器(圖片拍攝/簡鈺璇)

張明輝表示,垂直觀測紊流是因為海水過了混合層後就急遽降溫,因此深水區的紊流擾動就會影響海表層溫度變化。他笑著表示,長型紊流儀探測也十分有趣,就像是把一根竿子直直投進海中,看它被紊流干擾、轉動的狀況,即量測紊流造成的「動能消散率」。

不過,用 Chameleon 這隻「掃帚型」的儀器做研究可不簡單。美國研究人員表示,無論風吹日曬雨淋,24小時都必須有人輪班站在甲板上,把 Chameleon 慢慢放置海底 200-300 公尺處,然後再慢慢拉回來,整個航程會累積數千筆的資料。

此次,臺大海研所也有兩位研究人員登船 25 天,協助這個任務。臺大貴重儀器中心技術員謝欣崧表示,投放 Chameleon 必須垂直入水,儀器下水後兩人一組,一人在電腦前監控數據、存擋資料,另一人則在外面聽從裡面指示操作絞機,將 Chameleon 回收,但要控制收攬的速度,避免儀器抓不到數據,整個過程下放和回收的過程約 8-10 分鐘,一小時做六組,然後換班。

「大太陽底下工作很熱!外面一站就是滿頭汗。」謝欣崧開玩笑地說,在甲板工作時,電腦室的人會用耳機跟外頭夥伴聊天,避免施放儀器恍神,掉到海裡。

將紊流儀Chameleon放入水中後,工作人員必須聽從電腦操控端的指示,右手控制收纜繩的速度,左手操作控制桿(圖片提供/謝欣崧)。

臺大海研所也與 PISTON 計畫合作,在去年及今年將美國奧勒岡州立大學 Jim Moum 教授的紊流儀掛放在 NTU3 海氣象觀測浮標上,此浮標位於臺灣東南方海域,位在東經 125 度、北緯 21 度的錨碇站位上。去年 PISTON 計畫是由美國華盛頓大學研究船 Thompson 靠港,那時海研所也有八位研究人員上船協助。

臺大海研所楊穎堅副教授表示,早在 1980 年臺大海研所與美國有許多研究的交流,這段期間建立了深厚的友誼,讓美方這次相當樂意來台補給、交流,台灣這邊當然也把握機會開開眼界啦。

台灣研究團隊、船廠至Sally Ride上的參訪合照(圖片拍攝/簡鈺璇)。

對海研船設計的啟發

參訪完畢後,研究人員與新海研船的造船師皆對船上的研究設備配置、空間安排表示讚賞。

「我們真的很羨慕這艘船!」林博雄教授表示,以往海研船為了海洋研究都著重後甲板的設計,但忽視氣象觀測的前甲板需求,例如:莎莉萊德號設計一根快兩層樓高的在氣象塔在船頭,且這根氣象塔可以傾倒更換儀器,儘管可能會影響前面開船的視線,但可透過攝影機彌補阻礙。

船上的氣象塔可以橫躺,讓研究人員保養、更換儀器設備(圖片拍攝/簡鈺璇)。

「莎莉萊德號為了研究需求而設計的,但現行台灣的海研船比較像是研究人員去適應船上的空間,想辦法把儀器放上去。」臺大貴重儀器中心技術員謝欣崧則表示,莎莉萊德號上很多東西都可以拆裝,連圍住甲板的圍欄都可拆,這對於採集海底岩心等需大空間的研究作業相當方便,但這對造船廠一般的認知會認為這樣設計很危險。

後甲板的藍色圍欄可以拆卸,利於海上研究作業(圖片拍攝/簡鈺璇)。

執行「新海研船」建造的台灣國際造船(台船)施經理則表示,莎莉萊德號甲板留很多放置移動式儀器的空間與固定儀器的卡榫,雖然新海研船也有,但就沒那麼多,這是他們未來可以學習的。

甲板尚有許多孔,使得這艘船就像組樂高一樣,可以拆卸、裝載不同儀器,適合各類海上研究(圖片拍攝/簡鈺璇)。

看了美國大洋級的海研船,大家是否也開始期待預計將於今(2019)年底明年初開工的 MIT 的三艘「新海研1、2、3號」呢?記者也想跟著出航 25 天啊~這樣就沒人找得到我啦~

參考資料

  1. 科技大觀園,電磁波知多少:氣象雷達
  2. 中央氣象局,聽見雨的聲音—雷達
  3. Intraseasonal rainfall variability in North Sumatra and its relationship with Boreal Summer Intraseasonal Oscillation (BSISO)
  4. 臺灣師範大學地理學系洪致文教授 出國報告書:  Intraseasonal Oscillation and the Taiwan Climate
  5. 中央氣象局科技研究中心盧孟明、李思瑩:APCC BSISO 預報計畫與氣象局的參與
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超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。

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怪獸襲來!為什麼會有哥吉拉形狀的雲朵?:千變萬化的流體(三)
ntucase_96
・2021/12/11 ・2345字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體(三):哥吉拉雲—流體的不穩定性

海岸邊的雲層上緣,出現一隻隻如同哥吉拉形狀的雲;原子彈投下後,劇烈爆炸引起的蕈狀雲;土星大氣層內形狀獨特的雲帶……等。這些看似毫無相關的現象,背後其實成因都可以歸納為:流體中的不穩定性。

2020 年在青森縣的海邊,有網友分享了一張雲朵彷彿在進行「哥吉拉大遊行」的照片(圖一左上);也有飛行員在雲層上分享過類似的照片(圖一右上);除此之外,天文學家在土星的大氣層也觀察到相似形狀的雲層(圖一下)。這些「哥吉拉」的行動力竟然如此之高,不只在地球上出現,連土星上都有。這是否暗示它們背後其實具有相同的形成機制呢?

圖一左上:海岸邊的哥吉拉雲,圖/大間觀光土產中心推特
圖一 右上:飛行員在雲層上看到的哥吉拉雲,圖/世界氣象組織(WMO)推特
圖一下:土星大氣層內的雲帶照片。圖/NASA

在<千變萬化的流體(一)>一文中,我們介紹了流體流動的狀態主要可以分成兩種:層流與紊流。層流狀態的流體十分穩定,它可以被視為一層一層獨立的流動來討論;相對的,紊流如同它的名字所表示,流體內部的流動較為混亂,不同層之間的流體會互相混合、影響。而決定是層流還是紊流的關鍵因素便是「不穩定性」[1]

在描述天氣系統為甚麼難以預測時,常常會提到「蝴蝶效應」這個小故事:位在大西洋的颶風,其成因可能只是在亞馬遜森林裡面一隻蝴蝶煽動了翅膀,這個初始的小擾動,隨著時間演變,最終形成尺度龐大的結構。不穩定性在流體中扮演的角色也十分相似。起初流體內部隨機的產生十分微小的擾動,若整個流體的不穩定性足夠大,微小的擾動便有機會繼續成長,直到對整個流體都造成影響。流體中具有各式各樣的不穩定性,在本篇文章中,我們將會介紹與哥吉拉雲還有蕈狀雲有關的兩種不穩定性:克耳文-亥姆霍茲不穩定性以及瑞利-泰勒不穩定性。

克耳文-亥姆霍茲不穩定性:哥吉拉雲

這個不穩定性得名於兩位對此現象進行研究的物理學家:發明絕對溫標的克耳文爵士,以及對聲學共振系統做出系統性研究的亥姆霍茲(在<香檳聲音哪裡來?>一文中,他曾經登場過)。這個不穩定性發生的條件是:兩層流體之間具有相對速度。

請搭配圖二,讓我們一起來理解這個不穩定性是如何產生哥吉拉雲的。假設有兩層流體,分別向左與向右運動。當它們彼此完美平行時,一切無事,如圖二(a)。但這個狀態其實並不穩定,任何的擾動,都可能會破壞這個完美狀態。例如,流體中形成了如圖二(b)的擾動,接下來流體的運動會如何變化呢?

對於淺藍流體來說,A 點的體積較原本略小,因此流動速度較大,如同澆花時,將水管捏住(管徑縮小),水可以噴得更遠。此外,流速較快也會使得 A 點的壓力減小;但對於紅色流體來說,A 點的壓力反而會增大。如此會導致流體內部的壓力分佈形成圖二(c)。兩種流體之間的壓力差,會進一步使擾動長大,如圖二(d)。最後,由於流體本身橫向的速度,使擾動在橫向上出現變形,如圖二(e)。如此一來,哥吉拉形狀是不是就出現了呢?

圖二:克耳文-亥姆霍茲不穩定性形成示意圖。圖/CASE 報科學

瑞利-泰勒不穩定性:核爆蘑菇雲

接下來,讓我們來看另一種在生活中沒那麼常見,但是看過就很難忘記的不穩定性現象:核爆產生的蘑菇雲。這種現象的成因,是來自於瑞利-泰勒不穩定性,它會發生於密度較大的流體壓在密度小的流體之上時。核彈爆發會在極短時間內釋放出極大熱量,將爆炸中心的空氣瞬間加溫。我們知道,氣體的溫度越高,密度越低,因此在爆炸中心,會瞬間形成大量的低密度空氣。

讓我們用簡單的模型來看看,這種不穩定性是如何造成蘑菇雲的。圖三(a)中有兩種流體,密度較高的在上,此時整個流體系統處於不穩定態,只要有一點擾動 ,如圖三(b) ,不穩定性就會使擾動擴大。由於密度差異,重力使得密度小的流體上升,密度大的下降,使不穩定度振幅逐漸增大。此外,由於壓力差與密度差的方向並不平行,會導致流體的邊界形成渦旋,如圖三(c)。以上這些效應疊加在一起後[2],流體邊界處便會逐漸形成如蘑菇狀的特徵,如圖三(d)。

圖三:瑞利-泰勒不穩定性示意圖。圖/CASE 報科學

以上兩種流體不穩定性,其實在我們生活中也存在,例如:點燃的線香。由於線香燃燒處的溫度上升,空氣密度下降,此時就滿足瑞利-泰勒不穩定性的條件;當熱空氣上升時,和兩側靜止的空氣有一相對速度,也滿足了克爾文-亥姆霍茲不穩定性條件。只是由於規模較小,發生速度較快,肉眼未必可以清楚的看到如前文中提到的明顯特徵。儘管如此,各位讀者在了解這些不穩定性之後,若是試著觀察看看生活中的各種流體,也許也能找到隱藏起來的「蕈狀雲」喔!

註解

[1] 更詳盡的說明可以參考 CASE<上下顛倒漂浮船>一文
[2] 實際上,形成蘑菇狀構造還與流體在三維條件下的非線性效應有關,數學模型較為複雜,此處只是簡單概述其成因。

參考資料

  1. Kelvin–Helmholtz instability
  2. Rayleigh–Taylor instability
  3. “Single mode hydrodynamic instabilities” draft from Hideaki Takabe.
ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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船隻設計的基礎,船模實驗大解密!——成功大學系統及船舶機電工程學系陳政宏副教授專訪
科技大觀園_96
・2021/12/03 ・3981字 ・閱讀時間約 8 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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。

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。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。

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。

參考文獻

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解密新海研 1、2、3 號身世!造船原來這麼不容易
Suzuki
・2019/11/28 ・2802字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 509 ・六年級

海研一、二、三號開拓了「臺灣海洋研究元年」,三艘船服務海洋研究快三十年,今年海研一號滿 34 歲,海二、海三也滿 26 歲,為了航行安全與研究永續,老船亟需汰舊換新。

回顧老船的貢獻 臺灣的海洋研究由此啟航:回顧海研一、二、三號的貢獻

今年底、明年初,海研界將迎來三艘新船──科技部耗資 16 億打造的 800 噸海研船「新海研 2 號」、「新海研 3 號」,以及 2200 噸的「新海研 1 號」。三艘預備交船的海研新血續航力更長,希望能讓未來台灣海洋研究更有機會跨出本島海域,帶起另一波海洋研究高峰。

然而,催生三艘 16 億的船並不容易,在海研船籌備小組的老師們眼中,三艘海研船從經費著落、設計、建造、管理單位確認到海試一路走來,走了快十年,可說是得來不易的研究船。

得來不易的研究船,取名、找保母都充滿挑戰

臺灣海洋大學海洋環境與生態研究所終身特聘教授龔國慶表示,自己 2011 年就已向科技部提議要造新船取代舊船,之後他便開始協助撰寫計畫書爭取經費,過了三年多經費才有著落,並在 2015 年初啟動研究船汰舊換新計畫,終於在今 (2019) 年底前交船。

新海研 3 號在船廠內尚未闔上甲板的情形。圖/張詠斌提供

新海研船的籌備並非一帆風順,期間其實曾發生各種爭議與困難,像是在去年以「五萬元取新名」登媒體版面,而早在這個爭議以前,新海研船歸誰管也引起關注。

科技部原本希望新海研船能從「學校各自管理」,改為「統一由國研院海洋中心管理」,卻引起管理海研一、二、三號的臺灣大學、臺灣海洋大學與中山大學的反彈。

臺灣大學海洋研究所教授詹森表示,雖然能理解科技部期望統一管船、節省成本的立場,但站在教育的角度,船對海洋教學十分重要,因此校方投入很多心血在海一的管理、安全檢驗,甚至積極參與新研究船的設計、儀器的檢驗及管理辦法的訂定,為的就是讓海研船上的教學與研究經驗能夠傳承。

中山大學海科所副教授張詠斌提到,船由學校管理,確實比較便利,海上實習如果遇到天氣不佳,能找空白船期排上去,免去與其他單位溝通和協調的成本。

船歸學校所有亦可降低「政治敏感」。張詠斌表示,研究船因安裝許多儀器,在接近他國海域時都很敏感,學校屬於半民營機構又具有自主性,若遇國家海權紛爭時,較容易處理,而外國也會比較願意讓學校管理的船隻停泊,但如果是國家層級來管理的話,遇到衝突會比較麻煩。

之前海研一號就曾在三貂角被日本保安廳公務船干擾,也曾遭遇中國公務船攔查,在海巡署協助下,事件才終能和平落幕註1,此顯示海權與國家安全問題不得不列入考量。

中山大學海科所張詠斌副教授認為,研究船交由學校管理,對於從事海洋研究時比較不敏感。圖/簡鈺璇拍攝。

學界提出他們的想法,科技部卻拿不定主意。一旦喬不定誰管船,新海研船開工、監工、測試又要由誰來做呢?此事就從 2015 年拖到 2018 年底,科技部才因法規和經費因素,最後拍板定案,由三個學校各自管理海研船。

這之間的反覆折騰,對參與規劃新船的學校來說,實在煎熬。詹森教授坦言:「一想到在我當(臺大)海研所所長任內,船沒有了,我就難過得睡不著覺。」

臺灣大學海研所詹森教授從頭參與新海研船的籌備,認為海研船應有教育意涵。圖/簡鈺璇拍攝。

詹森表示,管理船並不輕鬆也很費成本,每年海一的營運費就要 5000 萬以上的臺幣,但船對學校來說真的很重要,本來一度覺得學校可能要沒有船了,好在科技部回心轉意將船交給學校。

新海研的未來任務:擴大研究範圍、啟發學生興趣

常有人說:「臺灣是靠海吃飯!」除了說明臺灣海域有豐富漁獲外,對海洋研究者來講,更是一塊寶地。

臺灣鄰近全球海域溫度最高的「西太平洋暖池區」,長年水溫 25 度以上,與全球海流、聖嬰現象、颱風等等息息相關,話題十足,加上臺灣南北具有海溝,做地球物理、海洋地質亦相當適合。

那麼未來,新的海研船會做什麼事情呢?這三艘新的海研船加裝了海水淡化系統、發電設備,使得航行天數得以增加,新海研 1 號可航行 45 天以上、新海 2 號和新海 3 號則是 30 天以上,因此海洋研究範圍將不只限於臺灣周邊海域。

新海研 1、2 及 3 號。圖/中華民國海洋學會臉書

對此,科技部海洋學門和學界提出了「航向藍海」的研究計畫。張詠斌表示,這個計畫希望結合臺大、海大與中山大學老師的研究專長,預計讓三艘研究船一起航行,開拓「高雄-關島-帛琉」的研究航線,總航行天數為 40 天。

張詠斌提到,此航線會經過颱風生成區、北太平洋馬里亞納海溝、北赤道洋流等特殊的區域,是值得開拓的海洋研究區,離其他國家遠,亦是海洋研究的處女地。

科技部海洋學門與學界一同針對三艘新研究船提出「航向藍海」計畫,規劃高雄至關島、帛琉的研究航線。圖/張詠斌、科技部海洋學門投影片資料

將來科技部規劃進行「北赤道洋流變動對黑潮之影響」、「西太平洋聖嬰-反聖嬰現象之早期觀測」、「颱風生成海域海氣交互作用探測」、「海洋塑膠微粒輸送量觀測」、「馬里亞納海溝深海探測」、「海洋生地化通量及生物資源之長期觀測」、「海洋底床礦物資源探勘」等科學議題的深究。

龔國慶則希望海研船能有更多教育目標,像是 2006 年,海洋大學就曾在教育部計畫的補助下,結合海研二號辦理「黑潮暑期學分班」,讓不限海洋科系的大專院校同學報名參與,透過八天課程帶領大家認識黑潮並至海上實習,做海洋研究報告。

海研一、二、三號在 2005 年曾合體辦理「高中生黑潮探險體驗之旅」,當時吸引 34 位高中生參與,並在船上過夜和做實驗,希望新海研船也能復辦此活動。圖/張詠斌提供

「片段的研究不代表真實,必須長期投入才行,教育也是。」龔國慶表示,前陣子還遇到十多年前參加黑潮暑期學分班的同學向我打招呼,他跟我說還記得海洋學分班的課,這就表示學分班真的能啟發大家對海洋的興趣。

臺灣海洋大學教授龔國慶希望海研船除了研究功能外,亦有推廣海洋教育的使命。圖/簡鈺璇拍攝

龔國慶提到,近年來在科技部產學合作計畫的支助下,大學也與多媒體公司合作,完成了 50 則以「海洋科學與人類生活」為主題的「海洋鮮聞」科普極短片,更獲得通傳會頒發適齡兒童標章。

他希望教育部能在這些珍貴的研究與科普成果的基礎下,接力並持續地支持新海研船辦理各項海洋教育推廣活動,達到臺灣以「海洋立國」為目標的願景。

註解:

  1. 日本船制止「海研一號」研究 海巡署派「南投艦」解危
  2. 海研一號遭陸公務船攔查 關鍵2小時發生什麼事?
Suzuki
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超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。