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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

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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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。


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提早部署「免疫負債」!接種流感疫苗,有助於降低新冠肺炎死亡率

careonline_96
・2022/01/20 ・2436字 ・閱讀時間約 5 分鐘
接種流感疫苗,有助降低新冠肺炎死亡率,感染科醫師圖解說明

新冠肺炎 COVID-19 疫情是大家高度關注的問題,不過流感病毒可沒有沉寂,流感會不會出現大反撲,是目前全世界都很關心的議題。臺大兒童醫院黃立民院長表示,流感疫情與邊境管制措施有關,隨著政策的調整,流感再流行的機會相當大。因為已經兩年沒有流行,加上監視結果顯示,流感病毒株已經改變,所以當流感疫情升溫,可能出現大流行。

大家常聽到的「免疫負債」意思就是說,大家為了預防新冠肺炎 COVID-19,所以會戴口罩、勤洗手、保持距離,使得呼吸道感染、腸胃道感染的機會降低,因此一些本來容易得到的傳染病,例如流感、腸病毒等在這兩年都少了許多。黃立民醫師解釋,造成的結果就是,一旦解除防疫限制,民眾開始不戴口罩、洗手頻率減少、社交距離拉近,其他病毒就會開始流行。由於已經連續兩年都較少人感染,可以感染的人數就會變多,這個時候就容易爆發流行,把過去兩年沒有爆發的流行補回來,所以叫做「免疫負債」,像是還債的概念。

「包括法國、紐西蘭,都有觀察到這個現象,一開放邊界,就馬上大爆發」黃立民醫師提醒,「要解決免疫負債,就是要大家趕緊去打疫苗。冬天需要施打的呼吸道疾病疫苗,最強調的還是流感疫苗。」

流行性感冒病毒(Influenza virus)是經由飛沫傳染,感染者的鼻咽部、口腔、還有呼吸道都有病毒,在講話、咳嗽、打噴嚏時,會把病毒噴到環境裡,黃立民醫師說,如果距離一到兩公尺之內,就有機會被飛沫噴到而感染;另外一個模式,叫做媒介物傳染,感染者會污染他的物品,例如杯子、桌面、門把等,如果有人進入這些環境,就可能碰觸病毒而遭到感染。我們生活在城市裡,流感患者可能搭捷運、進餐館,所以扶手、椅子、桌子都可能有病毒,這種傳染模式在大城市相當常見。

流感症狀較嚴重,不同於一般感冒

呼吸道感染可分成兩種,一種叫做一般感冒,一種叫做類流感,黃立民醫師解釋,一般感冒比較輕微,類流感會比較嚴重。類流感的定義,第一個是發燒,第二個是有呼吸道症狀,比如說咳嗽、流鼻水、喉嚨痛等。

類流感跟一般感冒最大的差別就是發燒,成年人得到一般感冒通常不會發燒,如果發燒了,代表狀況比較嚴重,黃立民醫師說,台灣的類流感通常都會伴隨著一些比較不舒服的表現,包括畏寒發燒、全身痠痛、倦怠感、劇烈頭痛、腰酸背痛,這些都是流感的典型症狀。

流感不同於一般感冒

流感除了讓人全身很不舒服外,還可能出現嚴重併發症,黃立民醫師說,流感病毒會跑到肺部引起肺炎、跑到心臟造成心肌炎、跑到腦部造成腦炎,其中最常見是肺炎。流感病毒還可能引起繼發性細菌感染,例如在感染肺部以後出現細菌感染。

「由於流感病毒會攻擊我們的組織,造成全身發炎,進而導致患者原有的慢性病惡化」黃立民醫師說,「例如心臟冠狀動脈本來塞了 75%,得到流感之後可能就會塞到 95%,導致心肌梗塞。無論是慢性心臟病、高血壓、糖尿病、慢性腎臟、肝臟疾病,都可能會惡化,甚至導致死亡。」

預先部屬,預防流感

預防流感就跟預防新冠肺炎 COVID-19 一樣,要戴口罩、勤洗手、保持社交距離,減少接觸病毒的機會,黃立民醫師說,另一方面可以在每年冬天施打流感疫苗,提升身體的保護力。因為流感病毒會突變,每一年流行的病毒株都不太一樣,而且流感疫苗的保護力持續時間較短,一般認為大概三、四個月之後效果就漸漸變差了,所以每年需要重新施打。

預先部屬,預防流感

呼吸道感染發生時常常是兩、三種病原體一起感染,黃立民醫師說,隨著檢驗工具的進步,我們會發現很多人並非只有一種細菌或病毒,而是多重感染。研究發現,新冠肺炎患者亦會同時找到兩種病原,流感與新冠肺炎可能同時感染,而且病情還會加重。

「研究指出,施打過流感疫苗,比較不會被診斷新冠肺炎 COVID-19;而且如果不幸得到新冠肺炎,死亡率也會降低。」黃立民醫師解釋,「因為很多新冠肺炎屬於輕症,如果患者單獨得到新冠肺炎,症狀可能不甚嚴重,而不會就醫。但如果同時得到新冠肺炎和流感,症狀比較嚴重使就醫機率高,也就較容易被診斷出來。」

其實不只流感病毒、新冠肺炎,呼吸道本來就是一個開放的環境,還有多種細菌、病毒都混在裡面,同時遭到兩、三種感染,是很常有的狀況。因此建議可同時接種呼吸道疾病疫苗,例如流感疫苗、百日咳疫苗、肺炎鏈球菌疫苗等,都可降低新冠肺炎死亡率約兩成至三成。

貼心小提醒

五十歲以上,或者是有慢性病,例如心臟病、肝病、癌症、或是服用免疫抑制劑的患者,得到流感時出現重症的機會較高,一定要記得施打流感疫苗,提高保護力。另外,家人之間的傳播是流感病毒很重要的傳染模式,學生是傳播流感病毒的重要族群,所以也需要施打流感疫苗。

黃立民醫師強調,接種疫苗後需要一段時間身體才能產生保護力,建議大家要在流感疫情升溫前趕快施打疫苗!

careonline_96
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