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系統識別號 U0002-0503201316343700
中文論文名稱 流場圓柱後方渦旋與魚擺動相位之流場特性研究
英文論文名稱 The Effect of Phase on Flow Characteristics of Swimming Fish Behind a Circular Cylinder
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 王柄豪
研究生英文姓名 Bing-Hao Wang
學號 600430093
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-10
論文頁數 112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 數值模擬  圓柱  渦旋  魚類擺動  相位 
英文關鍵字 circular cylinder  vortex  fish  phase 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 魚類在水中與流場之間的互動,一直受到科學家們的注意,有相當多的研究指出,魚類能利用水流產生的渦旋來減少自身在推進時能量的耗損,達到節能的效果,進而提升自己的推進效率,因此,魚類在行進時與如何與渦流作用,是一個非常重要的研究課題。
本研究透過改變上游圓柱所產生之渦流到達魚身前端時與魚身擺動之相位,利用CFD-RC進行數值模擬分析,並觀察其流場特性及計算游動所需功率的變化。
本文以三種圓柱到魚身的距做相位差模擬,分別為2倍魚身長、3倍魚身長、4倍魚身長,並以模擬結果算其總功率、阻力功率、游動功率平均值。由結果可看出,當魚身上擺時若渦旋在下方,克服阻力所需功率會較小,魚尾的逆渦旋若沒被渦旋消耗,游動功率也會較小,因此總功率的消耗便會較小,但會因為渦旋的位置而有強度大小的差異,反之若魚身上擺時上方有渦旋,阻力功率變大,且產生的逆渦旋被消耗,使游動功率變大,總功率則會因此而增加。
由三種不同圓柱到魚身距離情況下模擬結果可發現,3倍魚身長與4倍魚身長其結果較為相近,相位差角度60~120度時則有其最佳的總功率產生,亦即魚類在此種相位下,其所消耗的功率最少,相位差角度240~300度則是產生最差的總率,魚類在此種相位下消耗的功較多,由以上可推測魚類游動時遇到不同相位渦旋時,其相位差在60~120度時魚類游動會最為省力。

英文摘要 This research simulated the flow field induced by a swinging fish downstream of a circular cylinder. The power required for swimming was also deduced. Three cases each with different distance between cylinder and the fish were studied to find the power required for the propulsive motion.
The results showed that the power needed to overcome the drag force would be much smaller when fish tail swung up with the upstream vortex passed from the bottom and vice versa. The swimming power would be much smaller if the reverse vortex caused by fish tail undulation didn't dissipated by the upstream vortex passing by. The total power consumption would increase otherwise.
It is found that the simulations for distance of 3L and 4L were similar since the minimum powers required in both cases were observed to occur at about 60 degrees to 120 degrees of phase difference. The highest power consumptions were around phase angle of 240 degrees to 300 degrees. To summarize the above results, while a swimming fish encountered various phases of vortices, phases of 60 degrees to 120 degrees would be better for a fish to save the swimming energy.
論文目次 目錄
中文摘要I
英文摘要III
目錄V
圖目錄VII
符號說明XIV
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2-1 魚類構造與運動機制 3
2-2 魚類游動特徵 3
2-3 魚類三維特性 6
2-4 魚類常見使用次參數 7
2-5 研究動機與目的 8
第三章 研究方法 9
3-1物理模型 9
3-2 統御方程式 10
3-3 數值軟體介紹 11
3-4 數值方法 12
3-5計算參數 13
第四章 結果與討論 14
4-1 基本敘述 14
4-2 卡門渦街 14
4-3週期同步化 16
4-4 魚擺相位角度模擬 16
4-4-1 三倍魚身長之阻力功率 17
4-4-2 三倍魚身長之游動功率 20
4-4-3 三倍魚身長之總功率 21
4-4-4 二倍魚身長之阻力功率 23
4-4-5 二倍魚身長之游動功率 23
4-4-6 二倍魚身長之總功率 24
4-4-7 PT、PD、PS 25
第五章 結論與未來展望 26
5-1 結論 26
5-2 未來展望 27
第六章 參考文獻 29
研討會論文簡要版 103

圖目錄
圖2-1 魚類基本構造 33
圖2-2 魚類運動模式 33
圖2-3 利用渦流產生的升力 34
圖2-4 被動的推進方式 34
圖2-5 渦流對魚身產生的推力 35
圖2-6 與尾巴渦旋同方向之渦旋 35
圖2-7 與尾巴渦旋反方向之渦旋 35
圖2-7 Carangiform的運動方式 36
圖3-1 模型圖 36
圖3-2 邊界條件 37
圖3-3 GEOM環境 37
圖3-4 ACE環境 38
圖3-5 VIEW環境 38
圖3-6 CFD-RC運算流程架構 39
圖3-7 鬆弛係數設置 39
圖3-8 初始相位不同 40
圖4-1 圓柱渦旋 時間=0.1秒 41
圖4-2圓柱渦旋 時間=0.2秒 41
圖4-3圓柱渦旋 時間=0.3秒 41
圖4-4圓柱渦旋 時間=0.5秒 42
圖4-5圓柱渦旋 時間=0.7秒 42
圖4-6 Xiao(2011)的渦旋圖 42
圖4-7 逆卡門渦街&卡門渦街 43
圖4-8魚身渦旋 時間=0.1秒 43
圖4-9魚身渦旋 時間=0.2秒 44
圖4-10魚身渦旋 時間=0.3秒 44
圖4-11魚身渦旋 時間=0.4秒 44
圖4-12魚身渦旋 與Xiao(2011)比較 45
圖4-13 魚身 速度場 45
圖4-14 渦旋週期 時間=0.5秒 46
圖4-15渦旋週期 時間=1.1秒 46
圖4-16渦旋週期 時間=5.88&6.30 47
圖4-17 相位角度17°-85°Pd 47
圖4-18 相位角度102°-170°Pd 48
圖4-19 相位角度187°-256°Pd 48
圖4-20 相位角度272°-360°Pd 49
圖4-21 相位角度0°-360°Pd 49
圖4-22參考值渦度場連續變化 50
圖4-22續參考值渦度場連續變化 51
圖4-22續參考值渦度場連續變化 52
圖4-23相位差51°渦度場連續變化 53
圖4-23續相位差51°渦度場連續變化 54
圖4-23續相位差51°渦度場連續變化 55
圖4-24相位差0°速度場連續變化 56
圖4-24續相位差0°速度場連續變化 57
圖4-25相位差0°壓力場連續變化 58
圖4-25續相位差0°壓力場連續變化 59
圖4-26相位差51°速度場連續變化 60
圖4-26續相位差51°速度場連續變化 61
圖4-27相位差119°渦度場連續變化 62
圖4-27續相位角度119°渦度場連續變化 63
圖4-27續相位角度119°渦度場連續變化 64
圖4-28相位差119°速度場連續變化 65
圖4-28續相位差119°速度場連續變化 66
圖4-28續相位差119°速度場連續變化 67
圖4-29相位差238°渦度場連續變化 68
圖4-29續相位差238°渦度場連續變化 69
圖4-30相位差238°速度場連續變化 70
圖4-30續相位差238°速度場連續變化 71
圖4-31相位差289°渦度場連續變化 72
圖4-31續相位差289°渦度場連續變化 73
圖4-31續相位差289°渦度場連續變化 74
圖4-32相位差289°速度場連續變化 75
圖4-32續相位差289°速度場連續變化 76
圖4-33 相位角度17°-85°Ps 77
圖4-34相位角度102°-170°Ps 77
圖4-35 相位角度187°-256°Ps 78
圖4-36 相位角度272°-360°Ps 78
圖4-37 相位角度0°-360°Ps 79
圖4-38 相位角度17°-85°Pt 79
圖4-39 相位角度102°-170°Pt 80
圖4-40 相位角度187°-256°Pt 81
圖4-41 相位角度272°-360°Pt 82
圖4-42 相位角度0°-360°Pt 82
圖4-43 Pt&Pd&Ps平均值&相位角度(3L) 83
圖4-44 相位角度0°-360°Pd 83
圖4-45 相位角度0°-360°Ps 84
圖4-46 相位角度0°-360°Pt 84
圖4-47相位差300°渦度場連續變化 85
圖4-47續相位差300°渦度場連續變化 86
圖4-48相位差300°速度場連續變化 87
圖4-48續相位差300°速度場連續變化圖 88
圖4-49相位差60°渦度場連續變化 89
圖4-49續相位差60°渦度場連續變化 90
圖4-49續相位差60°渦度場連續變化 91
圖4-50相位差60°速度場連續變化圖 92
圖4-50續相位差60°速度場連續變化圖 93
圖4-51相位差120°渦度場連續變化 94
圖4-51續相位差120°渦度場連續變化 95
圖4-51續相位差120°渦度場連續變化 96
圖4-52相位差0°渦度場連續變化 97
圖4-52續相位差0°渦度場連續變化 98
圖4-52續相位差0°渦度場連續變化 99
圖4-53 相位角度0°-360°Pd 100
圖4-54 相位角度0°-360°Ps 100
圖4-55 相位角度0°-360°Pt 101
圖 4-56 Pt&Pd&Ps平均值&相位角度(4L) 101
圖 4-57 PT&PD&PS平均值&相位角度(2L) 102
圖4-58 總功率平均值(4L、3L、2L) 102

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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2013-03-06公開。
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