科技部工程司能源學門

108年度吳大猷先生紀念獎得獎人

林洸銓副教授

編按：本篇原刊登於科技部工程司能源學門【能源學門通訊2021年6月號，傑出年輕學者分享專欄，P.20-26】，

感謝能源學門及林洸銓副教授同意轉載。

傑出年輕學者分享：林洸銓副教授

能源與熱流：從計算科學與工程的觀點出發

文/圖：林洸銓     網頁編輯：張萬珍

林洸銓副教授簡歷

學歷：美國密西根大學機械工程博士

經歷：

         清華大學工程與系統科學系副教授 (2018-present)

         中山大學機械與機電工程學系副教授 (2017-2018)

         中山大學機械與機電工程學系助理教授 (2012-2017)

         Simerics Inc. CFD 工程師 (2011-2012)

研究領域：建模與熱流計算方法、低碳燃料裂解與燃燒、懸浮微粒過濾 、電池散熱 、血液動力學

首先感謝能源學門召集人蕭教授述三之邀約，給予後學擁有此次機會分享我於學術生涯中面臨到的挑戰與轉化。後學從美國回台灣後事教職至今已約有九年，教學與研究領域主要以能源與計算熱流學相關之領域為主。就個人在台灣工作多年來的觀察，學術界裡專攻解析法或數值法做研究的學群通常比專攻實驗法的學群較為弱勢，尤其是發表論文與爭取經費的結果，總讓我特別感觸深刻。猶記得某一年有幸參與香港科大校長史維教授的ㄧ場演講，內文裡引用到幽默的兩句話 “Experimental results are believed by everyone, except by the person who ran the experiment. Computational results are believed by no one, except by the person who wrote the code.”  另一次，則是在研討會中聽到有學者開玩笑的說 「參加競賽的論文，若沒呈現實驗量測設備，那就會先被挑掉。」雖然上述例子皆是玩笑的口吻，但對於多數研究領域以計算方法為主的學者們，當下這些的話語，實質頗讓人心有戚戚焉與感同身受之鳴響。

如何以數值模型或解析解計算出來的結果數據得以說服審查委員的信賴與青睞，使其相信這些研究的背後，更具備深沉的物理定律與基礎科學涵養於內，且隨著電腦工作站的功能性與穩定性快速發展下，對於重要科學和工程實際問題進行數值模擬分析，仿真技術幾乎已可與實際量測之結果相比擬，除非計算過程中超越模擬極限。因此，使用數值模型或解析解計算其結果，已逐漸地取代了需耗資巨額的流體動力學實驗設備的實際量測，對於未來的新興高科技研發的發展方向，亦產生了巨大影響。在此篇文章裡，期將我過去在台灣與美國求學的過程與爾後工作的歷程，以從事能源與計算力學的模擬分析之角度，做一份經驗分享，讓現在或有心從事此行業領域的同行或莘莘學子們多一份信心。

計算熱流學的重要性到底何在? 我認為台灣產業界近幾年將計算熱流方法(Computational Fluid Dynamics, CFD)列為徵求熱流工程師的必要專長即凸顯出它的未來，早已占據了一個重要的角色。

Software vs in-house code?

下面想與各位分享一些我從求學到工作期間運用數值方法做研究的經歷與心得。我最早接觸到數值方法的應用是在大學三、四年級 (2001到2002年)，當時是利用Fortran code 來分析簡單的碳氫燃料燃燒反應產物與多孔材質於電子散熱的增強。那時開始發現自己對電腦程式分析工程問題很有興趣。念碩士班時(2002-2004年)，我在黏滯流動(Viscous Flow)的課程中發現自己可以非常快地通過寫程式去得到流場速度的相似解(Similarity solutions)，並且又在計算流體力學的課程裡正式學習到有限體積法於Navier-Stokes Equations的求解。對於能用數值解去處理複雜的偏微分方程也開始讓我覺得好像數值解的應用可以更上一層樓。我第一次學習套裝計算流體力學軟體CFD-ACE+ 是在微尺度計算熱流學的課程上，並且在我2004年的碩士論文中將CFD-ACE+用於分析微流道的混合現象。從那時起一直到碩士畢業後我都有個疑惑，自己寫程式來分析工程問題是否比使用套裝軟體還要顯得更有水平? 我那時也去比較了他人使用in-house code來做研究的碩士論文，也曾質疑自己的研究能力是不是比較差?有趣的是，這個答案在經過了約五年之後才被我確認。

我在碩士畢業後去服役時並沒特別明確未來要去何處。後來因為自己對研究一直有興趣，所以在2005年服役期間就去參加相關考試並申請了美國博士班，碰巧有幸拿到入學許可與科技部精英留學講學金（能源科技），我就在2006年退伍兩週後去University of Michigan的機械系去念了博士班。我在Michigan的指導教授Prof. Angela Violi是一位化工博士，專做計算科學的研究，主要是利用分子動力學與化學動力學做一些燃燒與醫學方面的基礎分析。當時因為美國開始使用商用的生質柴油與汽油，所以我在實驗室就負責生質燃料燃燒反應式開發與點火預測的研究計畫。不過很糟糕的是在起始階段我發現自己根本無法接受化學計算的研究。因為化學動力學通常是用求解器(例如Gaussian 或 Chemkin)去解輸送方程式、Schrödinger 方程式，而且大部分文獻裡通常連一個微分方程式與數值法都不會被提及。我那時一直很困惑到底這樣子的研究怎麼去呈現它的技術?感覺這比使用計算流體力學軟體還更沒成就感，因為在用計算流體力學軟體時至少我還知道有哪些微分方程式與邊界條件是被使用的。直到有次聽到任教於Princeton University 的知名能源與燃燒學者Prof. Chung K. Law在Michigan演講時說「對於做化學動力學分析的人來說，每一條化學反應式就如同是一個數學方程式。」我才開始體會到在計算化學的領域裡，大家關注的焦點並不是已知的微分方程式。在美國很多元的研究環境裡，很多學者強調的是如何解決困難的問題，而不會特別重視要用什麼樣的工具來解決問題會比較「漂亮」或「高端」。在燃燒化學的研究論文裡，通常都得把計算優化完的化學結構或新開發的機理反應常數完整的公開在論文的附錄，如此可有效的使其他研究者很快的將其結果使用到不同的商用求解器去做其他燃料的開發或應用。之後我體會到，與其去評量一個研究方法的難易度(套裝軟體或是in-house code)，更具實質意義的應當是去評估這個研究的產出到底在一個領域裡能解決了什麼問題與帶來多少的衝擊。

Industrial job

有趣的是我在2011年博士畢業後找工作時發現到，其實計算熱流專長(CFD)的工作在美國非常多，而且待遇很好。也因為我的履歷有這些專長，我拿到了美國幾家計算流體力學公司的job offers。之後在計算流體力學軟體公司Simerics Inc. 擔任Project Engineer工作期間，我了解到自己可以拿到工作的條件其實是公司看重我對於套裝軟體的使用經驗。這家公司是由CFD-ACE+的主要開發者所創立。那時僅有10位成員(都是PhD)。一位CEO，一位求解器開發者，一位負責寫使用者介面與網格，其他人都是負責軟體技術測式以及讓客戶了解公司的軟體相較其他競爭對手所呈現的獨特技術優勢。我當時的客戶對象是General Motor, Ford與Chrysler。比起我現在的教職來說，當時擔任Project Engineer的工作相對容易且壓力小很多。在與這些世界級車廠的研發部門交流之間，我也體認到電腦輔助設計(computer aided design, CAD)與CFD分析對於oil pump或 bearing設計的必要性。這些大車廠對於CAD/CFD 工程師的團隊需求其實都遠大於我們台灣產業界可看到的規模。

Academic job

我在Michigan求學的第一年經歷了博士班資格考的洗禮，這個過程讓我了解到基礎學科的重要性。像是在Prof. Claus Borgnakke (Fundamentals of Thermodynamics的作者) 開授的進階熱力學裡，仍然是著重在非常基本的熱力定律應用。我感覺美國與台灣的工程教育有一個很大的差別就是台灣較偏向用進階的數學方法處理簡單的問題，而美國則重視如何用簡單的方程式與假設來解決複雜的真實問題。美國的教育方式偏向思考。我在Michigan擔任熱力學Graduate Student Instructor時，很多大學部的學生對每週的作業問題都會非常積極的主動發問。我從事教職後，一直會提醒研究生要經常以最基本的熱力、流力、熱傳的概念來思考與分析研究上遇到的問題。目前在台灣大部分研究生考完試就忘記了這些基本概念，反而只把重點放在很進階的工具操作上，導致這些學生往往很難判斷自己產生的研究數據是對還是錯。針對學生的生涯規劃，我常提醒自己的學生，畢業後找工作時要全球範圍性的找，拿到offer也不一定要去，但是可以比較一下待遇與評估自己的身價。雖然極少學生會接受這個想法，但我有一位學生真的去實現並到日本Nissan Motor的RD 部門當computer-aided engineering (CAE) 工程師。這幾年我與在香港與越南任教的學者與研究生交流，我發現這些亞州學生在學術上的積極態度遠超過在台灣的研究生，主要原因是這些外國研究生都對自己未來的職涯有著很長遠的佈局。

Philosophy

經過這麼多年的研究歷練之後，不管是在in-house code或是套裝軟體的使用，我在計算科學的研究目標都是去發展與應用一些模型用來比對實驗量測結果並進一步去分析一些實驗方法不易獲得的數據。總而言之，不論在學界或產業界，計算法與實驗法一直是互補的角色。有關計算熱流的研究在傳統知名的能源與燃燒期刊較難發表，因此我自己也一直在思索要如何呈現很好的研究邏輯才能說服編輯與審查委員。在台灣的教職工作有非常辛苦的地方，例如要在很有限的人力下自己動手去做研究、整理實驗室與設備、寫計畫、寫論文、備課、指導學生、行政服務等等，但這個工作的好處是可以自由的管理時間與思考。正如我在Michigan的口試委員與知名化學動力學學者Prof. John R. Barker曾經告訴我的 “Always focus on enjoying what you are doing.”

能源與燃燒研究方向