赴德國漢堡水槽（HSVA）參加陽明海運（HNO.801~803）5,500 TEU C/V船模試驗出國報告目 錄摘 要 3一、 目 的 4二、 過程與結果 5三、 結論與建議 9 摘 要陽明海運公司擬在本公司建造三艘 5,500 TEU 全貨櫃輪，設計方案之一是由本公司重新設計線形。為此，本公司重新設計線圖並為確認設計吃水之馬力性能可以達成合約船速，奉派參加在德國漢堡水槽進行之自推試驗、阻力試驗及油墨試驗，並做球艏最佳化之自推試驗。與去年11月底的第一次船模試驗結果相比較，本次船形推進性能優秀，船速改善至少 0.2節，約與現代重工設計的 HNO.756 系列船相當。經與 HSVA 水槽專家在現場檢視船模及油墨試驗結果，認為線形仍有改善空間，將依船艉、船艏兩階段改善後分別試驗之，以確認改善的成效，並期成為此種等級貨櫃輪船速馬力性能最佳的設計。HNO.790 系列船歷經 3 次螺槳設計的實驗後，所選定的最佳螺槳其高階激振力仍然偏高，受限於生產時程無法再進一步改良設計，並考量到本系列船艉部構造的特性，為降低日後試車時振動及噪音的風險，故將在漢堡的超大型空蝕水槽（HYKAT）進行減低激振力對策的Vortex Generator 設計試驗，由於本公司不擬派員參加試驗，故職在本次差旅中與 HYKAT專家討論 Vortex Generator 的試驗方式及試驗位置、角度，俾利日後獲致成功的試驗結果。 一、 目 的本次前往德國漢堡水槽參加陽明海運5,500 TEU貨櫃輪新建案之船模試驗，主要目的如下：1、 確認5,500 TEU之船速馬力是否可達原設計目標（在12米吃水NOR馬力，15%海況餘裕下達26.0節）。2、 進行球艏最佳化的研究，以找出最適合艏部線形的最佳球艏設計。3、 視試驗結果，決定是否進行船艉楔（Trim wedge）的相關試驗。4、 與超大型空蝕水槽（HYKAT）專家討論HNO.790船裝置渦流產生器（Vortex Generator）的設計。由於試驗時本公司將不派員參與，故委由HYKAT專家逕行試驗，其試驗位置、程序及試驗的範圍（Criteria），均由本次會議中決定。 二、 過程與結果本案曾在去年11月23日進行第一次船模試驗，船速約可達25.7節，經檢視其試驗結果發現船艉靠近水面Station 6、7(全船LBP間分成20個Stations)間有明顯Vortex生成，且本船之船艉跡流流速極快，導致船殼效率ηΗ = (1-t)╱(1-w)不佳（幾乎是1），加上漢堡水槽專家 Peter Schenzle 在 Review 該版線形時發現Station 17.5 處水線有明顯反曲，故將艏部水線略為拉直，因此增加了入水角的角度，原先之球形艏係搭配小入水角的設計，此部份亦應有改善空間。故本次船模試驗的線形設計即針對上述缺點，經由CFD程式SHIPFLOW分析流場，歷經數版改善而得。由於陽明新船案很接近簽約的程度，本次試驗希望能獲致最佳之船速馬力性能，故試驗安排上儘可能利用漢堡水槽空檔，逐一進行試驗，檢討結果後再進行下一步之試驗。例如早上討論試驗的範圍，下午或晚上進行試驗，隔天早上檢討試驗結果，再決定晚上試驗的內容。如此將可判斷線形改善的效果，選擇有效的設計，並可節省試驗經費，在有限時間內獲致理想的線形設計。本次實驗的項目、過程及結果簡述如下：2002/01/23工作項目一：進行2222版線形的Short Speed Range自推試驗由於上一版1001版船模試驗已進行12M及14M的阻力、自推試驗，故依HSVA公式計算船速馬力，僅需先進行自推試驗即可，俟獲致最終線形後再進行Full Speed Range的阻力及自推試驗。因此本日先進行24.5~27.0節（Short Speed Range）的自推試驗。試驗一開始24.5及26.0節之馬力均比1001版明顯改善，到了高速的27.0節，則反而比較差，為進一步瞭解船速馬力從幾節開始變差的起始點，故增加26.5節速度點的量測，馬力仍然比1001版差，因此再試25節的速度點並重做26節的試驗，結果仍然呈現26節（含26節）以下船速馬力較佳，而26.5節以上變差的現象。至此，26節速度點的自推已做了二次，在船速馬力曲線上兩點重合，可見HSVA的試驗精度極佳，但亦確認了本船馬力曲線高速區仍不理想的結果。（不過本船設計船速已高達26節，主機馬力74,700匹，日後應無Power up的可能性，故2222版應比1001版更符合設計目標。）本日試驗職亦觀察到Station 18 附近有第二波峰產生，此點與本課CFD模擬的波高分布現象一致。事後與水槽專家檢視船模時，判斷應為球艏與船艏部相接處凹入加上水線反曲的雙重效應。工作項目二：進行3222版的自推試驗依試驗計劃，本船將進行球艏最佳化的試驗，故俟2222版自推結束後即將船模吊起，以蠟配合木製模板進行球艏加長、加大、靠近設計吃水的工程，約莫1個小時後即完工，等另一艘船模試驗結束後，即可展開自推試驗，由於時間已晚（約晚上九點）故委由 HSVA 水槽人員（採二班制，第二班可以做到晚上十一點）在晚上做完24.5、26.0、27.0節的自推試驗，職第二天早上再到HSVA看結果。2002/01/24工作項目一：3222版自推結果檢討本日一早到HSVA看3222版的結果，發現26節時馬力約與原始球艏2222版相當，但24.5及27.0節之馬力均比2222版型稍大一些，試驗結果請詳圖1。同時艏波雙峰現象仍然存在，因此當下決定放棄3222版設計，將球艏的蠟移除，改以2222版為基礎做進一步的試驗。由2222版的自推結果可以發現 Thrust Deduction 性能比1001版明顯改善，為徹底探求其性能，找出改善之建議，故決定在當晚的試驗空檔進行阻力試驗及油墨試驗。為廣納各方意見俾找出更優秀之船形設計，職設法透過趙國義博士請HSVA已退休的水槽專家 Luczcz 來共商對策。工作項目二：2222版阻力試驗及油墨試驗在進行阻力試驗時Luczcz 親自操作台車導引職由台車前方觀察整個 wave pattern，並指出艉肩部station 6~7處的波谷為本船可以改善的項目。整個阻力試驗亦再次確認自推試驗中船速26.5節以上馬力性能變差的趨勢，及26節船速確為馬力曲線中較1001版明顯改善的速度點。經過2次自推及1次阻力試驗可以確定26節之船速馬力確實比1001版優異，但對船速馬力曲線較為凹凸的變化，HSVA仍無法提出合理解釋。或許本船設計之初即以26節船速作線形最佳化設計，試驗結果亦確認本船線形在26節時表現良好。在阻力試驗後緊接著進行油墨試驗，依HSVA建議該試驗後船模需靜置在水中等油墨乾後再拖出水面觀察，考慮當時時間已接近晚上十點，因此約定隔天早上再來看結果。 2002/01/25工作項目：2222版油墨試驗結果觀察早上將2222版船模吊出水面，Luczcz 及 Schenzle 注意到艉肩部靠近水線附近仍有Vortex 生成的跡象，只是比1001版緩和一些。當場檢視船模曲線時，他們亦注意到本船艉的部分 Buttock Line 凹入，建議下一版時將此缺點列入修改。再看到船艏的油墨試驗結果發現有明顯的 Vortex 延球艏的趨勢一路向下生成。由以上的檢討，HSVA專家們認為本船仍有改善空間，改善後船速可達26節，詳如圖2所示，成為HSVA同級船試驗中最好的船形之一。為確認改善的成果，他們建議分成船艉、船艏兩階段修改線形及試驗。船艉部分試驗時可加做推進最佳化的試驗 – 即將螺槳及舵後移看看是否會改善推進性能（HNO.788 船曾因後移1公尺而加快船速達0.1節），及加強球形艉效應以獲致最佳推進性能的艉部線形設計。而艏部則是將水線拉直，但艏柱附近仍維持小入水角，其後方水線與直水線相接處則產生一反曲點，如此利用球艏波下衝的干涉作用消除水線反曲點的第二峰現象，將可以改善興波阻力，艏部水線設計請參見圖3。此外，球艏 Vortex 係因球艏的 Buttock 凹入，球艏下方流速快而將球艏上方之水流捲下去形成旋轉的 Vortex 現象，因此修改艏部線形時一併調整球艏的形狀即可改善。球艏 Vortex 的油墨試驗照片、生成機制示意圖及HSVA專家的線形修改提議，請參考圖4、圖5、圖6。由於次週一（元月28日）HSVA 預留有檔期做 Trim Wedge 設計相關試驗，有鑒於船形仍有改善空間，且 Trim Wedge 係改善船艉波系，由於波浪干涉的作用機制，因此 Trim Wedge 試驗最好等到本案船形定案後再做試驗。故向 Schenzle 請求取消保留的試驗檔期，改成討論下一階段艉部線形設計。2002/02/28工作項目一：5,500 TEU 艉部線形設計討論由本次試驗結果發現，高速域之馬力有增大之情形，且本船在高速域之動態下沉量有增加之趨勢，因此，職曾懷疑船艉 Transom 在26節以上時因動態下沉及艉浪之雙重作用而稍微沒水增加阻力。故與 Luczcz 及 Schenzle 特別看了1001及2222版之錄影帶，排除此疑慮。其後 Schenzle 提出其艉部新線形的手繪圖，大家一起討論是否有疏漏之處，職記得當日早上 Luczcz 再次檢視船模時曾覺得船舯 Bilge Radius 太硬，建議 Bilge Radius 自 5M 改成 6M。職注意到 Schenzle 未反映在新設計中，且 Stern Bulb 的下緣起點亦不對，故請 Schenzle 逐一修改在線圖中。工作項目二：HNO.790 Vortex Generator 設計討論本公司 3,200 TEU 貨櫃輪新建案 790 系列船共設計了3個螺槳，受限於緊迫的生產時程，最後不得不從3個設計中選出最佳的螺槳，但其2階段起振力仍太大，有引發上構振動及噪音之虞。有鑑於 Vortex Generator 在 1,092 TEU 貨櫃輪的成功經驗，故本案亦將進行 Vortex Generator 的試驗，以作為試車後萬一振動噪音過大時的防治備案。本日下午與漢堡超大型空蝕水槽（HYKAT）的經理 Johannsen 開會討論 HNO.790 Vortex Generator 的設計，經檢視船模油墨試驗的照片，決定自 Vortex 生成最明顯的 Station 1.5（全船LBP間分成分成10個 Stations）處開始做，試驗範圍則參考本公司HNO.742 的經驗取為激振力降低達2/3以上時，即可接受（停止試驗）。職並向 Johannsen 解釋 Vortex Generator 的作用機制，並建議他如果 Station 1.5 的效果不好，則請加大 Vortex Generator 向下的攻角，或將位置向前移動。依HSVA 檔期，本項試驗將排在第十一週（即3月11日那週）舉行。德國以潛艇外銷全世界聞名，HDW廠所設計之各型潛艇（TYPE209、TYPE212、TYPE214）均在HSVA做實驗。考慮到本公司正積極爭取潛艦業務，為掌握潛艦流體動力相關性能，故職特地請教 HYKAT 水槽專家 Friesch 先生潛艇相關的流力試驗項目，回國後已將相關資訊轉交本課潛艦小組成員參考。 三、 結論與建議本次漢堡行獲益甚豐，綜合後略述如下：1. 貨櫃船之興波現象與 CFD 軟體 SHIPFLOW 模擬結果相當一致，尤其是本次 5,500 TEU 貨櫃輪船艏部的雙波峰現象，在實驗前曾將 CFD 預測船側波高分布與HSVA水槽專家 Schenzle 討論，實驗時我們就立即發現此一明顯的現象，故再一次驗證了 CFD 分析的結果。但是本次球艏的 Vortex 現象卻非 CFD 勢流模組所能預測，受限於勢流理論，流體為無旋性，故一般小板法不可能會預測到 Vortex 現象。幸好 Schenzle 先生解釋了這種 Vortex 的生成機制及繪製線圖應注意的地方，再加上 CFD 分析的動壓資訊，應可幫助設計者避免重蹈覆轍。2. 5,500 TEU貨櫃輪船形極瘦（CB約0.57），機艙通常是semi-after，故螺槳面之跡流流速甚快，常會造成船殼效率ηH不彰，故如何提高推進效率成為船形設計成功與否的關鍵，以本次2222版的經驗來看其阻力性能未比1001版優秀，但推效率大幅改善，船速反而比1001版快上0.2節，難怪世界第一大船廠現代重工將螺槳與船殼間交互作用的相關研究列為該廠維持至2010年競爭力的首要研究重點。3. 本次實驗採用先討論再做實驗、實驗後檢討再決定下一步實驗的方法，可以確認實驗之效果且互動性良好，建議只要公司有派人參與實驗，不妨採用這種模式，而且錢又可以花在刀口上，萬一實驗不如預期，就可取消後續檔期的實驗，避免繼續在未盡完善的船形上花費試驗費。4. HSVA針對 5,500 TEU 貨櫃輪檢討實驗結果後認為仍有改善空間，有必要繼續改善線型設計，將依 HSVA 建議針對船艉與船艏分成兩階段進行設計與試驗。 5. Vortex Generator 尺寸雖小(長度僅約1.6 ~ 1.8 M，詳如圖6所示)，卻能將螺槳12點鐘方向的低速區消除，大大降低了螺槳起振力，真正印證了中國太極武術四兩撥千斤的功夫。以本公司 1,092 TEU 及 A.P. Muller 2,200 TEU 貨櫃輪的 HYKAT 實驗結果來看，Vortex Generator 至少可降低螺槳起振力 2/3 以上，降低後的水準已低於講求舒適性旅客船的可接受程度。本次與 HYKAT 專家 Johannsen 先生討論 Vortex Generator 設計時，他談到 NKK 去年底在 HYKAT 做油輪螺槳的空蝕實驗時激振力太高，HSVA 亦曾試過 Vortex Generator 但並不成功。再看長榮海運在日本三菱重工所造 5,700 TEU (Ever Uberty系列船)貨櫃輪亦因振動問題而像本公司所承造立榮海運 1,164 TEU 貨櫃輪般加裝大型的 Fin tunnel，Ever Uberty系列船裝設Fin tunnel的佈置請詳圖7，這種裝置雖可改善螺槳入流但船速損失至少0.13節（1,164 TEU 的經驗），而Vortex Generator 不但尺寸小不易損壞，試車船速反而能快上0.1節（以基隆廠的試車經驗及A.P.M. 2,200 TEU 在 HSVA 所做的自推實驗而論），如果本次 3,200 TEU 的 Vortex Generator 試驗成功（在撰寫本報告時職已獲 HSVA 告知試驗結果極為成功），可十分確定此種裝置在貨櫃輪等高馬力船型之應用成效，未來可加以推廣應用及向造船界與船東展示此項成果。 圖1 加強球艏效應(3222版，但HSVA初步報告誤植為3112版)與原始球艏(2222版，但HSVA初步報告誤植為2112版)之馬力曲線圖。由本結果可知加強球艏效應的設計不如預期，球艏宜採原始球艏(2222版)之設計 圖2 HSVA預測本船經船艏船艉兩階段改良後可改善5%馬力，船速可達26.0節 圖3 HSVA專家Luczcz先生建議修改設計水線形狀手稿─將水線拉直，但為降低入水角將艏柱後2~3根Frame長度範圍內之水線作窄，再配合一小反曲形狀接上後方拉直之水線，而此一反曲所引起之高壓則可利用恰好在此處下衝之球艏波波谷干涉作用降低之，如此將可避免2222版Concave水線所引起的船艏雙波峰現象，達到降低興波阻力的目的。 圖4 2222版船艏部油墨試驗照片。照片上有明顯的Vortex生成跡象，從艏柱沿球艏的線條一路向下發展至Station 8.5處進入Bilge離開船殼表面。 圖5 船艏Vortex生成的示意圖。球艏的低壓將流體吸向下流動，由於球艏Buttock凹入，使得向下流動的流體沿此溝槽形成Vortex轉動。 圖6 HSVA專家Luczcz先生建議修改球艏線形設計手稿 圖7 本公司2,200 TEU貨櫃輪在空蝕水槽中加裝Vortex Generator之船模照片─照片中Stern Thruster前方的小三角翼即為Vortex Generator，此物形狀極小，阻力有限，但卻可大幅改善螺槳的入流流場、降低螺槳激振力、改善船舶之振動噪音性能。 圖8 長榮海運超巴拿馬極限型貨櫃輪Ever Uberty系列船(Loa= 285.0M, Lbp=268M, B=40M, D=24.2M)之船艉佈置圖，由圖上可看到該輪加裝之Fin Tunnel從Frame 39一路延伸到舵柱上方，尺寸極大(至少佔船長30.73M)。其損失之馬力將達上千匹(依本公司類似尺寸的超巴拿馬極限型船速馬力曲線0.13節約需NOR馬力1,100 ps)，整個系列船隊每年將浪費相當可觀的燃油費。