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系統識別號 U0002-0403201313293300
中文論文名稱 圓柱後方渦旋與魚擺動之相位對耗能之影響
英文論文名稱 The Effect of Phase on Energy Consumption Reduction of Swimming Fish Near Shedding Vortices Behind Cylinders
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 101
學期 1
出版年 102
研究生中文姓名 王懿友
研究生英文姓名 Yi-You Wang
學號 699430012
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-10
論文頁數 124頁
口試委員 指導教授-湯敬民
委員-楊鏡堂
委員-牛仰堯
中文關鍵字 擺動相位  同步化  節能  CFD-RC  Karman gait 
英文關鍵字 Phase  Synchronization  Energy-saving  CFD-RC  Karman gait 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本文透過計算流體力學軟體(CFD-RC)模擬阻礙物後方的魚隻擺動,分析阻礙物所產生的渦旋與魚身擺動相位的關係。本文於不同距離下(d=0.25L,0.5L,1L,3L,d:圓柱與魚身前緣的距離;L:魚身長度)讓魚在一流速0.45 m/s之自由流中游動,並使圓柱渦旋流逸的頻率和魚擺動頻率同步,再改變魚身擺動的相位,探討阻力功率和游動功率的變化。
研究結果顯示在不同距離中,d=0.25L的渦旋流逸受到魚的抑制;在0.5L和1L之位置,阻力功率相較於游動功率之變化更為明顯,此時若分別改變魚身擺動相位為260度至360度和180度至280度時,其平均阻力功率會為負值,表示魚隻此時可從外界流場獲得一向前的推進力。在d=0.5L且擺動相位為260度至300度的平均游動功率也為負值,表示魚隻可不耗損自己擺動能量,便可達到推進的效果。d=0.5L、1L和3L的平均游動功率最小值,其擺動相位分別為280度、180度和136度,皆為魚身擺動相位和高壓移動區同相時,亦即魚頭下擺時,上方會有一高壓區向下推,擺動消耗就會較少;而觀其平均阻力功率最小值的擺動相位,則分別為300度、260度和238度,皆在魚身擺動相位和圓柱渦旋到達的位置同步時,亦即魚頭擺動向下,渦旋的位置應於魚頭上方;魚頭擺動向上,渦旋位置應在魚頭下方,魚尾部分也是如此,亦即魚身部份與渦旋位置最好要是在上下相反的兩側,以減少阻力的產生。因此魚如果想於湍急的水流中游動,並距離阻礙物不遠處,尋求最佳的游動推進時,它必須跟隨著前方的渦旋上下擺動,以達到最少的能量消耗。
英文摘要 This research was to study the characteristics of the flow field with an undulating fish behind a circular cylinder. The effect of the phase of undulating fish and the shedding vortices from the cylinder upon the swimming power required was computed through CFD software (CFD-RC).
Under different distances (d=0.25L, 0.5L, 1L, 3L, where d is the distance between cylinder and the leading edge of fish, L is the body length), a free stream with flow speed of 0.45 m/s passed through the fish body, after synchronized the shedding frequency of cylinder and the undulating frequency of fish, effects of the phase angle upon the drag power and swimming power were studied.
Results demonstrated that the required drag power was higher than the swimming power when the distance was shorter than 1L. The smallest drag power consumed was observed when the vortices induced by the cylinder matched the phase of undulating fish.
To conclude, for a fish to swim in a high speed flow behind an obstacle, it must adjust the phase according to the upstream shedding vortices to save the swimming energy.
論文目次 目 錄 ......................................................................................................... i
圖 目 錄 ................................................................................................. iii
第一章 前言 ...................................................................................... 1
第二章 文獻回顧 ....................................................................... 4
2.1魚類基本概述 .............................................................................. 4
2.2魚類研究中常見的無因次參數 .................................................. 5
2.3 魚類游動相關研究 ..................................................................... 7
2.3.1 魚類游動機制介紹 ........................................................... 7
2.3.2省能機制 ............................................................................ 9
2.3.3 卡門步態(Karman gait)相關研究 ................................... 12
2.4 本研究之動機、目的與內容 ................................................... 15
第三章 研究方法 ..................................................................... 16
3.1物理模型 .................................................................................... 16
3.3數值方法 .................................................................................... 17
3.5 模擬參數 ................................................................................... 18
3.6 CFD-RC 使用說明 ................................................................... 19
第四章 結果與討論 ........................................................................ 20
4.1圓柱渦旋流逸頻率與魚身擺動頻率同步化後之探討 ............ 20
4.2同步化並延遲魚身擺動相位後的游動功率探討 .................... 23
4.2.1 d=0.5L ........................................................................... 23
4.2.2 d=1L .............................................................................. 26
4.2.3 d=3L .............................................................................. 28
4.3同步化並延遲魚身擺動相位後的阻力功率探討 .................... 30
4.3.1 d=0.5L ........................................................................... 30
4.3.2 d=1L .............................................................................. 32
4.3.3 d=3L .............................................................................. 33
第五章 結論和未來展望 ................................................................ 35
參 考 文 獻 .......................................................................................... 37
附錄-期刊格式 .................................................................................... 116

圖 目 錄
圖 2- 1:魚類基本外型構造 ..................................................................... 40
圖 2- 2:作用在魚身上的力 ..................................................................... 40
圖 2- 3:魚類推進模式圖 ......................................................................... 40
圖 2- 4:卡門渦流與反卡門渦流示意圖 ................................................. 41
圖 2- 5: 連續擺動魚體的水動力學和力動學的關聯性 ....................... 41
圖 2- 6:魚類群游的菱形結構 ................................................................. 41
圖 2- 7:胸鰭張開回收利用機制 ............................................................. 42
圖 2- 8:流體流經各物體後的尾流形式 ................................................. 42
圖 3- 1:計算區域 ..................................................................................... 43
圖 3- 2:網格幾何外型 ............................................................................. 43
圖 3- 3:參考值相位與延遲魚身擺動相位對照 ..................................... 44
圖 3- 4:GGD-繪製網格 ........................................................................... 44
圖 3- 5:ACE-計算數據 ............................................................................ 45
圖 3- 6:VIEWER-模擬流場 .................................................................... 45
圖 4- 1:d=0.25L之渦度圖 ...................................................................... 46
圖 4- 2:d=0.25L,延遲魚身擺動90度之渦度圖 ................................. 46
圖 4- 3:d=0.25L,延遲魚身擺動180度之渦度圖 ............................... 47
圖 4- 4:d=0.25L之壓力圖 ...................................................................... 47
圖 4- 5:d=0.25L在不同相位下的游動功率比較 .................................. 48
圖 4- 6:d=0.5L遠的魚游動功率 ............................................................ 48
圖 4- 7: d=1L遠的魚游動功率 .............................................................. 49
圖 4- 8: 參考值d=0.5L於t/T=0-0.4之渦度圖 .................................... 49
圖 4- 9: 參考值d=0.5L於t/T=0.6-1之渦度圖 .................................... 50
圖 4- 10: 參考值d=1L於t/T=0-0.15之渦度圖 ................................... 50
圖 4- 11: 參考值d=1L於t/T=0.22-0.37之渦度圖 .............................. 51
圖 4- 12: 參考值d=1L於t/T=0.44-0.59之渦度圖 .............................. 51
圖 4- 13: 參考值d=1L於t/T=0.66-0.80之渦度圖 .............................. 52
圖 4- 14:參考值d=1L於t/T=0.88-0.95之渦度圖 ................................ 52
圖 4- 15: d=0.5L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0-0.2之壓力圖 ......... 53
圖 4- 16: d=0.5L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0.4-0.6之壓力圖 ...... 53
圖 4- 17: d=0.5L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0.8-1之壓力圖 ......... 54
圖 4- 18: d=1L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0-0.07之壓力圖 .......... 54
圖 4- 19: d=1L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0.15-0.22之壓力圖 ..... 55
圖 4- 20: d=1L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0.29-0.37之壓力圖 ..... 55
圖 4- 21: d=1L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0.44-0.51之壓力圖 ..... 56
圖 4- 22: d=1L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0.59-0.66之壓力圖 ..... 56
圖 4- 23: d=1L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0.73-0.80之壓力圖 ..... 57
圖 4- 24: d=1L,未延遲魚身擺動相位於t/T=0.88-0.95之壓力圖 ..... 57
圖 4- 25 : 同步化後,不同距離下的游動功率 .................................... 58
圖 4- 26 : 同步化後,不同距離下的阻力功率 .................................... 58
圖 4- 27: 同步化後,不同距離下的總功率 ......................................... 59
圖 4- 28: d=0.5L,延遲魚身擺動20度至120度游動功率比較 ........ 59
圖 4- 29 : d=0.5L,延遲魚身擺動140度至240度游動功率比較 ..... 60
圖 4- 30: d=0.5L,延遲魚身擺動260度至360度游動功率比較 ...... 60
圖 4- 31: d=0.5L,延遲魚身擺動20度於t/T=0-0.4之渦度圖 ........... 61
圖 4- 32: d=0.5L,延遲魚身擺動20度於t/T=0.6-1之渦度圖 ........... 61
圖 4- 33: d=0.5L,延遲魚身擺動20度於t/T=0-0.2之壓力圖 ........... 62
圖 4- 34:d=0.5L,延遲魚身擺動20度於t/T=0.4-0.6之壓力圖 ......... 62
圖 4- 35:d=0.5L,延遲魚身擺動20度於t/T=0.8-1之壓力圖 ............ 63
圖 4- 36: d=0.5L,延遲魚身擺動120度於t/T=0-0.4之渦度圖 ......... 63
圖 4- 37:d=0.5L,延遲魚身擺動120度於t/T=0.6-1之渦度圖 .......... 64
圖 4- 38:d=0.5L,延遲魚身擺動120度於t/T=0-0.2之壓力圖 .......... 64
圖 4- 39:d=0.5L,延遲魚身擺動120度於t/T=0.4-0.6之壓力圖 ....... 65
圖 4- 40:d=0.5L,延遲魚身擺動120度於t/T=0.8-1之壓力圖 .......... 65
圖 4- 41: d=0.5L,延遲魚身擺動180度於t/T=0-0.4之渦度圖 ......... 66
圖 4- 42: d=0.5L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.6-1之渦度圖 ......... 66
圖 4- 43:d=0.5L,延遲魚身擺動180度於t/T=0-0.2之壓力圖 .......... 67
圖 4- 44:d=0.5L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.4-0.6之壓力圖 ....... 67
圖 4- 45:d=0.5L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.8-1之壓力圖 .......... 68
圖 4- 46: d=0.5L,延遲魚身擺動240度至360度游動功率比較 ...... 68
圖 4- 47: d=0.5L,相位和平均游動功率關係圖 .................................. 69
圖 4- 48: d=0.5L,延遲魚身擺動280度於t/T=0-0.4之渦度圖 ......... 69
圖 4- 49: d=0.5L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.6-1之渦度圖 ......... 70
圖 4- 50:d=0.5L,延遲魚身擺動280度於t/T=0-0.2之壓力圖 .......... 70
圖 4- 51:d=0.5L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.4-0.6之壓力圖 ....... 71
圖 4- 52:d=0.5L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.8-1之壓力圖 .......... 71
圖 4- 53:d=0.5L,延遲魚身擺動160度於t/T=0-0.4之渦度圖 .......... 72
圖 4- 54:d=0.5L,延遲魚身擺動160度於t/T=0.6-1之渦度圖 .......... 72
圖 4- 55:d=0.5L,延遲魚身擺動160度於t/T=0-0.2之壓力圖 .......... 73
圖 4- 56:d=0.5L,延遲魚身擺動160度於t/T=0.4-0.6之壓力圖 ....... 73
圖 4- 57:d=0.5L,延遲魚身擺動160度於t/T=0.8-1之壓力圖 .......... 74
圖 4- 58: d=1L,延遲魚身擺動20度至120度游動功率比較 ........... 74
圖 4- 59: d=1L,延遲魚身擺動140度至240度游動功率比較 ......... 75
圖 4- 60: d=1L,延遲魚身擺動260度至360度游動功率比較 ......... 75
圖 4- 61: d=1L,相位和平均游動功率關係圖 ..................................... 76
圖 4- 62: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0-0.15之渦度圖 .......... 76
圖 4- 63: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.22-0.37之渦度圖 ..... 77
圖 4- 64: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.44-0.59之渦度圖 ..... 77
圖 4- 65: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.66-0.80之渦度圖 ..... 78
圖 4- 66: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.88-0.95之渦度圖 ..... 78
圖 4- 67: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0-0.07之壓力圖 .......... 79
圖 4- 68: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.15-0.22之壓力圖 ..... 79
圖 4- 69: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.29 -0.37之壓力圖 .... 80
圖 4- 70: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.44-0.51之壓力圖 ..... 80
圖 4- 71: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.59-0.66之壓力圖 ..... 81
圖 4- 72: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.73-0.80之壓力圖 ..... 81
圖 4- 73: d=1L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.88-0.95之壓力圖 ..... 82
圖 4- 74: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0-0.15之渦度圖 .......... 82
圖 4- 75: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.22-0.37之渦度圖 ..... 83
圖 4- 76: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.44-0.59之渦度圖 ..... 83
圖 4- 77: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.66-0.80之渦度圖 ..... 84
圖 4- 78: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.88-0.95之渦度圖 ..... 84
圖 4- 79: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0-0.07之壓力圖 .......... 85
圖 4- 80: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.15-0.22之壓力圖 ..... 85
圖 4- 81: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.29-0.37之壓力圖 ..... 86
圖 4- 82: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.44-0.51之壓力圖 ..... 86
圖 4- 83: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.59-0.66之壓力圖 ..... 87
圖 4- 84: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.73-0.80之壓力圖 ..... 87
圖 4- 85: d=1L,延遲魚身擺動280度於t/T=0.88-0.95之壓力圖 ..... 88
圖 4- 86: d=3L,延遲魚身擺動17度至119度游動功率比較 ........... 88
圖 4- 87: d=3L,延遲魚身擺動136度至238度游動功率比較 ......... 89
圖 4- 88: d=3L,延遲魚身擺動255度至357度游動功率比較 ......... 89
圖 4- 89: d=3L,未延遲相位於t/T=0-0.14之渦度圖 .......................... 90
圖 4- 90: d=3L,未延遲相位於t/T=0.21-0.36之渦度圖 ..................... 90
圖 4- 91: d=3L,未延遲相位於t/T=0.43-0.57之渦度圖 ..................... 91
圖 4- 92: d=3L,未延遲相位於t/T=0.64-0.79之渦度圖 ..................... 91
圖 4- 93: d=3L,未延遲相位於t/T=0.86-1之渦度圖 .......................... 92
圖 4- 94: d=3L,未延遲相位前於t/T=0-0.14之壓力圖 ...................... 92
圖 4- 95: d=3L,未延遲相位前於t/T=0.21-0.36之壓力圖 ................. 93
圖 4- 96: d=3L,未延遲相位前於t/T=0.43-0.57之壓力圖 ................. 93
圖 4- 97: d=3L,未延遲相位前於t/T=0.64-0.79之壓力圖 ................. 94
圖 4- 98: d=3L,未延遲相位前於t/T=0.86-1之壓力圖 ...................... 94
圖 4- 99: d=3L,相位和平均游動功率關係圖 ..................................... 95
圖 4- 100: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0-0.14之渦度圖 ........ 95
圖 4- 101: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0.21-0.36之渦度圖 ... 96
圖 4- 102: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0.43-0.57之渦度圖 ... 96
圖 4- 103: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0.64-0.79之渦度圖 ... 97
圖 4- 104: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0.86-1之渦度圖 ........ 97
圖 4- 105: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0-0.14之壓力圖 ........ 98
圖 4- 106: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0.21-0.36之壓力圖 ... 98
圖 4- 107: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0.43-0.57之壓力圖 ... 99
圖 4- 108: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0.64-0.79之壓力圖 ... 99
圖 4- 109: d=3L,延遲魚身擺動136度於t/T=0.86-1之壓力圖 ...... 100
圖 4- 110:d=0.5L,延遲魚身擺動20度至120度阻力功率比較 ..... 100
圖 4- 111:d=0.5L,延遲魚身擺動140度至240度阻力功率比較 ... 101
圖 4- 112:d=0.5L,延遲魚身擺動260度至360度阻力功率比較 ... 101
圖 4- 113:0.5L的相位與平均阻力功率關係圖 .................................. 102
圖 4- 114: d=0.5L,延遲魚身擺動300度於t/T=0-0.4之渦度圖 ..... 102
圖 4- 115: d=0.5L,延遲魚身擺動300度於t/T=0.6-1之渦度圖 ..... 103
圖 4- 116: d=0.5L,延遲魚身擺動180度於t/T=0-0.4之渦度圖 ..... 103
圖 4- 117: d=0.5L,延遲魚身擺動180度於t/T=0.6-1之渦度圖 ..... 104
圖 4- 118:d=1L,延遲魚身擺動20度至120度阻力功率比較 ........ 104
圖 4- 119:d=1L,延遲魚身擺動140度至240度阻力功率比較 ...... 105
圖 4- 120:d=1L,延遲魚身擺動260度至360度阻力功率比較 ...... 105
圖 4- 121:d=1L,相位和平均阻力功率關係 ...................................... 106
圖 4- 122:d=1L,延遲魚身擺動60度於t/T=0-0.15之渦度圖 ......... 106
圖 4- 123:d=1L,延遲魚身擺動60度於t/T=0.22-0.37之渦度圖 .... 107
圖 4- 124:d=1L,延遲魚身擺動60度於t/T=0.44-0.59之渦度圖 .... 107
圖 4- 125:d=1L,延遲魚身擺動60度於t/T=0.66-0.80之渦度圖 .... 108
圖 4- 126:d=1L,延遲魚身擺動60度於t/T=0.88-0.95之渦度圖 .... 108
圖 4- 127:d=1L,延遲魚身擺動260度於t/T=0-0.15之渦度圖 ....... 109
圖 4- 128:d=1L,延遲魚身擺動260度於t/T=0.22-0.37之渦度圖 .. 109
圖 4- 129:d=1L,延遲魚身擺動260度於t/T=0.44-0.59之渦度圖 .. 110
圖 4- 130:d=1L,延遲魚身擺動260度於t/T=0.66-0.80之渦度圖 .. 110
圖 4- 131:d=1L,延遲魚身擺動260度於t/T=0.88-0.95之渦度圖 .. 111
圖 4- 132:d=3L,延遲魚身擺動17度至119度阻力功率比較 ........ 111
圖 4- 133:d=3L,延遲魚身擺動136度至238度阻力功率比較 ...... 112
圖 4- 134:d=3L,延遲魚身擺動255度至357度阻力功率比較 ...... 112
圖 4- 135:d=3L,相位和平均阻力功率關係圖 .................................. 113
圖 4- 136: d=3L,延遲魚身擺動238度於t/T=0-0.14之渦度圖 ...... 113
圖 4- 137: d=3L,延遲魚身擺動238度於t/T=0.21-0.36之渦度圖 . 114
圖 4- 138: d=3L,延遲魚身擺動238度於t/T=0.43-0.57之渦度圖 . 114
圖 4- 139: d=3L,延遲魚身擺動238度於t/T=0.64-0.79之渦度圖 . 115
圖 4- 140: d=3L,延遲魚身擺動238度於t/T=0.86-1之渦度圖 ...... 115
附錄-論文期刊格式 ............................................................................... 116
參考文獻 Alexander, R.M., ‘‘Hitching a lift hydrodynamically – in swimming, flying and cycling,’’ J. Biol., Vol.3, article7, 2004.
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