A Personal View and Perspective on the Computational Fluid Dynamics
楊德良教授
出生日期：民國35年1月4日
現職：國立台灣大學土木工程學系教授暨水工試驗所特約研究員
學歷：美國康乃爾大學博士（1976）
經歷：曾任台大水工試驗所主任
專長：流體力學、計算力學、水理學、水利工程學
一、前言
近十年來(1988-1998)在國科會之資助下，共完成了20個研究計畫、一個暑期短期研究計畫及三個大專生參與研究專題。同時也指導博士、碩士及大學生之論文研究，完成了六篇博士論文，26篇碩士論文及一篇學士論文，目前尚有一位博士班及7位碩士班學生就讀研修學位中。此段時間，並有4位博士後研究人員參與，2位客座研究員加入，其中一位來自美國，研究生中並有來自比利時之外籍學生來台深造。
在這長期的研究經費支援下，使得個人能做一連貫性的學術研究規劃，循序漸進，由簡入繁，永續發展而不輟。個人這十年來之研究重點，一直以計算流體力學(Computational fluid dynamics)為主軸，尤其偏重不可壓縮性之單相流體，並同時考慮Navier-Stokes方程式及de Saint Venant方程式兩大類型之拋物線及雙曲線型之偏微分方程式。對於含自由液面，有密度層變(density stratification)及旋轉效應(rotational effect)亦有所涉及，流場之處理包括了內外流場，亞、穿及超臨界流，潛流、層流、過渡流及紊流，從一維、二維、軸對稱到三維流亦均包含，從穩態到非穩態流。計算法則方面，包括了有限差分法、有限元素法、邊界元素法、特徵法及波譜法等。雖然以計算方法為主，但為了驗證數值及數學模式，同時亦從事了理論及實驗的驗證工作，使得流體力學的基礎研究可以配合理論分析、數值模擬與實驗證實三大分野，加以整合為一。
今分述十年中之研究主題、過程及主要成果：
(1)計算水力學(Computational hydraulics)
主要以計算為主，實驗為輔，研究水庫動力學、河川變量流、河川輸砂模擬、高湍陡坡河川動力學、滾波、潰壩水理學、沿岸漂砂、河口水理學、密度層變流等之研究，共發表38篇論文，代表作見文獻1、2。
(2)計算流體力學(Computational fluid dynamics)
主要研究不可壓縮流之Navier-Stokes方程式，從傳統之原始變數法(Primitive variables)做到目前之速度-渦度法，而且以三維為主，共發表28篇論文。代表作見文獻3、4、5。
(3)渦流動力學(Vortex dynamics)
主要以圓柱-圓盤系統，考慮旋轉效應，探討流體之霍普分歧(Hopf bifurcation)，與渦流迸裂(Vortex breakdown)等混沌(Chaos)現象，並分析對稱性破壞(Symmetry breaking)之動力學原理，共發表了35篇論文，代表作見文獻6、7、8、9。
(4)計算風力工程(Computational wind engineering)
主要利用計算流體力學的原理於外流場，探討風場與結構物之間的相互作用，流場與結構物之接合振動，結構物在風場中之阻力與勁度分析等，共發表6篇論文，代表作見文獻10、11。
(5)支援國內產業界及政府機構
利用在國科會所贊助研發之電腦軟體，提供國內的顧問公司或政府機構，以協助解決實際之工程問題。如將二維水庫水理與輸砂程式、一維明渠流程式、二維河口海灘地形變化程式、密度層變水庫流程式等轉移給中興顧問社使用，同時協助台灣省政府水利處研發淡水河洪水預報水庫防洪期間之水庫操作模式等，代表作見文獻12、13。
(6)主要成果論文發表文獻
1.Capart, H., Liu, H-H.,Van Crombrugghe, X., and Young, D.L.,1997, Digital Imaging Characterization of the Kinematics of Water-Sediment Interaction, Journal of Water, Air and Soil Pollution, Vol. 99,pp.173-177.
2.Capart,H., and Young, D.L., 1998, Formation of a Jump by Dam-break Wave over a Granular Bed ,J Fluid Mech. Vol. 372, pp.165-187.
3.Young, D.L., 1990, Finite Element Analysis of Computational Fluid Dynamics, Proceedings of the National Science Council, Republic of China, Part A: Physical Science and Engineering, Vol.14, No.3, pp.186-202.
4.Young, D.L., 1991, Finite Element Modeling of Shallow Water Wave Equations, Journal of the Chinese Institute of Engineers, Vol.14, No.2, pp.143-156.
5.Young, D.L. and Liao, C. B. and Sheen, H. J., 1999,”Computations of Recirculation Zones of a Confined Annular Swirling Flow”,Int.J. Numer. Meth. Fluids.(in press)
6.Young, D.L. , Sheen, H.J., and Hwu, T.Y., 1995, Period-doubling Route to Chaos for a Swirling Open Cylindrical Container with a Rotating Disk, Experiments in Fluids , Vol.18, pp.189-392.
7.Young, D.L., and Hsieh, J.S.,1996, Direct Numerical Simulation for Route to Chaos and Vortex Breakdown in a Cylindrical Container with a Rotating Lid, The Chinese Journal of Mechanics, Vol.12, No.1, pp.167-172.
8.Hwu,T.Y., Young, D.L., and Chen ,Y.Y., 1997,Chaotic Advections for Stokes Flows in a Circular Cavity, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol.123, No.8, pp.774-782.
9.Liao ,C.B., Jane, S.J. and Young, D.L., 1999, “Numerical Simulation of Three-dimensional Couette-Taylor Flow”, Int.J. Numer. Meth. Fluids.(in press)
10.Young,D.L., and Chang, J.D., 1997, Wind-Structure Interaction by the Numerical Simulation, Proceedings of 2nd European and African Conference on Wind Engineering, June 22-26, 1997, Genova, Italy, pp.1143-1150.
11.Young,D.L.,and Chang, J.T., 1998 Impulsive Motion of a Moving Circular Cylinder in a Viscous Flow by the Numerical Simulation, The Chinese Journal of Mechanics, Vol.14, No.3, pp.119-123.
12.楊德良，1994，計算水理學之研究，中興工程科技研究發展基金會研究報告。
13.顏清漣，楊德良等，1998，淡水河整體洪水預報系統模式之研發，台灣省政府水利處，1998年12月。
三、檢討與評估
經過了漫長的十幾年研究，個人一直十分敬業於自己的研究岡位上，不敢怠慢，而自己的研究領域也一直在蛻變中。自覺好的研究，必須是具有創意及前瞻性，且必須達到一流之國際水準。由於語文及習性之限制，個人之研究論文，大多以國際性學術研討會發表居多，而忽略了在國際性著名之學術刊物發表。因此目前很難與國際相關研究相互比較。不過最近幾年來，亦逐漸被外國學者肯定，或受邀發表論文，或邀談合作計畫，或擔任會議分組主持人，或擔任國際學術研討會委員、或邀為國際刊物之審查人等殊榮。
四、結語
十年來，在國科會的大力支持下，不僅造就了三十多位博士、碩士及學士，也與學生或其他研究人員，撰寫了數十篇論文。這些心路歷程使得個人對流體力學與計算水理等有了更深入的瞭解與體認，也幫助了個人在學術上的繼續成長。筆者很幸運有這麼多好幫手，執行這麼多的研究計畫，是為明朗的貴人。在投稿期間，亦由審查人得到許多非常寶貴之指教，獲益良多，是為暗中的貴人。在此個人衷心的感謝國科會、我們的研究群同仁、學生及所有的論文審稿人。
過去十年，個人對計算流體力學的研究與瞭解，已有了初步的基礎。展望今後的10年，希望能集中火力，對三維與非線性的大型計算，能更有效率的加強研究：諸如利用邊界元素法降低維度，以疊代算則來避免解大型反矩陣，奇異性與不連續性之探討，以渦流動力學來解釋紊流現象等十分複雜且困難的計算流力問題。
我們誠懇的希望國科會今後十年的研究環境能在「質」方面的提升做更多的投資(個人在過去十年已算十分幸運了)，以國際水準的論文作為最高的目標，跟全世界比創新，研究人員的升等與獎勵，能儘早擺脫目前「重量不重質」的研究風氣，讓國內有些學人能有機會成為世界級的一流研究人才，則學術界甚幸，國家甚幸。
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