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系統識別號 U0002-1907201323122800
中文論文名稱 拍撲翼材質對渦流場之影響
英文論文名稱 The Effect of Material of a Flapping Wing on the Strength of the Vortices Generated
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 2
出版年 102
研究生中文姓名 陳韋童
研究生英文姓名 Weng-Tung Chen
學號 698430369
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-05-31
論文頁數 118頁
口試委員 指導教授-湯敬民
委員-牛仰堯
委員-葉泳蘭
中文關鍵字 拍撲翼  渦流  機翼材質  PIV 
英文關鍵字 flapping wing  vortex  the thickness  PIV 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本文著力於拍翼翅膀材質與流場量測研究。透過使用PIV流場量測系統,觀察撲翼之流場變化,並改變翅膀材質,探討其間之改變。根據實驗結果顯示,不同厚薄度的翅膀其流場中渦流成長及消散之情形類似。藉由雷射切面影像觀測流場,可知翅膀在拍動過程中,翼尖部分之渦流較小,翅膀中段附近之渦流面積最大也最為明顯,而後,越接近翼根處渦流面積越小。此變化可能與翅膀各位置之壓力差有關。
在三組厚薄度不同的翅膀中,其第一組之翅膀由於受到較大之變形問題,流場較其他兩組不穩定。改變材質後之兩組翅膀,不論在生成或結合渦流都非常快速。第三組可能是由於厚度的負擔,在拍動過程中造成了較大之阻力。雖其產生之渦漩範圍是最大,但流場之穩定度卻不及第二組。以第二組整體效果最佳,對此實驗之拍撲機構為最理想之選擇。
英文摘要 This thesis is mainly about the flexible flapping-wing mechanism and it’s related studies. The flow visualization experiments revealed a three-dimensional flow. Details of this flow pattern were studied with a flapping mechanism and used the PIV experimental technique to perform it. A high speed camera captured the images by a laser. The images used to study the velocity fields, as obtained by simultaneous vortex measurements. At last, this thesis did the compare with the flow field by these different flexible wings.
The vortex development is studied for various wings, at various thickness and at various spanwise positions. The existence of vortices developing during the flapping cycle have the similar situations between the three models. The flexible wing design leads to various unsteady aerodynamic phenomena and due to the flexible wings there is a strong fluid structure interaction. This variation will affect the flight stability.
When the wing start to upstroke flight, the growth of the vortex with time and separated when the wing start to downstroke flight, and then quickly merged into a larger one. The leading-edge vortex increasing in size from wingtip to the middle of the wing. Between 30 and 50% of the wing length, the vortex had the biggest area, and then the diameter decreased from the middle wing to the wingbase. This variation may be related to the different pressure on each position of the wing.
According to the experiments, the first model has the most flexible wing. It shows that the first model has the worst flight stability and the the second model is the best selection of the flapping mechanism. A better understanding of these effects can help to understand and further improve the design of the flexible wing.
論文目次 目 錄 .......................................................... i
表目錄 .......................................................... iv
圖目錄 ......................................................... v
第一章 緒論 …………………………………………………1
1.1 前言 ………………………………………………………………1
1.2 研究動機 …………………………………………………………3
第二章 文獻回顧……………………………………………………5
2.1 飛行器的演化………………………………………………………5
2.1.1 固定翼飛行器……………………………………………………6
2.1.2 旋翼飛行器 ……………………………………………………7
2.1.3 向量推進器………………………………………………………7
2.1.4 撲翼飛行器………………………………………………………8
2.2 微型飛行器…………………………………………………………9
2.3 近代發展回顧 ……………………………………………………10
2.4市售撲翼玩具 ……………………………………………………13
第三章 研究方法……………………………………………………15
3.1 研究目的…………………………………………………………15
3.2 拍撲機構材料 ……………………………………………………15
3.3 拍撲機構尺寸……………………………………………………16
3.4 實驗設備…………………………………………………………16
3.5 實驗步驟 …………………………………………………………17
3.6 PIV量測系統 ……………………………………………………17
3.7 機翼設計…………………………………………………………19
3.8 流固耦合 ………………………………………………………19
第四章 結果與討論 ……………………………………………21
4.1 拍撲機構x-z切面之流場分析 …………………………………22
4.2 拍撲機構x-z切面之渦度分析……………………………………24
4.3第一組翅膀(0.075mm PVC)之流場分析 ………………………25
4.4第二組翅膀(0.18mm PVC)之流場分析 ………………………26
4.5第三組翅膀(0.3mm PVC)之流場分析 …………………………27
4.6特定角度之流場分析比較 ………………………………………27
4.7 翅膀水平位置之流場分析(0°) ………………………………28
4.8 翅膀上拍至30度角之流場比較(30°) ………………………29
4.9 翅膀上拍至最高角度之流場比較(45°) ………………………29
4.10 翅膀下拍至最低角度之流場比較(-15°) ……………………29
第五章 結論與未來發展 …………………………………………31
5.1 結論 ………………………………………………………………31
5.2 未來展望 …………………………………………………………32
第六章 參考文獻 …………………………………………………105

表目錄
表2-1 市售拍翼玩具比較 ……………………………………………14
表3-1 四驅車馬達比較………………………………………………15
表3-2 機翼材質………………………………………………………15
表3-2 PP 與PVC 之性質比較…………………………………………15
表3-4 Phantom v7.3 Maximum Recording Speed vs. Image
Size ……………………………………………………………………16
表3-5 Stabilite 2017 Specificat ions …………………………1 6
表3-6 Stabilite 2017 Data Sheet ………………………………16

圖目錄
圖1-1 Clermont Zorn 自製帆布翅膀 ………………………………1
圖 1-2 Alphonse Penaud以橡皮筋驅動撲翼飛行器 ………………2
圖 2-1 Leonardo da Vinci 設計之人工動力拍撲機模型 ………5
圖2-2 George Cayley 設計的飛機 …………………………………5
圖2-3 George Cayley ………………………………………………5
圖2-4 George Cayley 制造的飛機 ………………………………5
圖2-5 Otto Lilienthal 的懸挂式滑翔機飛行試驗 ………………6
圖 2-6 西元1896 年5 月6 日Langley 的蒸汽機模型飛機試驗 …….6
圖2-7 Clement Ader 的飛機草圖及形式 ………………………7
圖2-8 萊特兄弟的發明 ………………………………………………7
圖2-9 固定翼飛行器組成 …………………………………………7
圖2-10 眼鏡蛇動作(Pugachev Cobra) ………………………8
圖2-11 C.G.Boatright 的撲翼機構 ………………………………10
圖2-12 H.B.Morgan 的撲翼機構 ………………………………10
圖2-13 P.H.Spencer 的撲翼機構 ………………………………10
圖2-14 G.R.Ruston 的撲翼機構 ………………………………10
圖2-15 G.V.Ruymbeke 的撲翼機構 ………………………………10
圖2-16 美國加州理工學院的蝙蝠飛行器 …………………………10
圖2 - 1 7 蝙蝠撲翼飛行器的四組連桿傳動機構 … … … … 1 0
圖 2-18 F.S.Chernek的撲翼機構 ………………………………10
圖2-19 S.W.Kim 的馬達驅動機構 ………………………………10
圖2-20 R.Madangopal 的撲翼機構 ………………………………10
圖2-21 S.K.Banala 的撲翼機構 ………………………………11
圖2-22 何仁揚的撲翼機構 ………………………………………11
圖 2-23 S.H.McIntosh的撲翼機構 ………………………………11
圖 2-24 楊龍杰的拍撲機構 ………………………………………11
圖2-25 Joon-Hyuk Park 的撲翼機構 ……………………………11
圖 2-26 西北科技大學的撲翼機構 …………………………………11
圖2-27 徐孟輝的拍撲機構 ………………………………………11
圖 2-28 Quoc Viet Nguyen的拍撲機構 ……………………………11
圖2-29 DelFLY 仿蜻蜓之飛行器 ………………………………12
圖2-30 程士洲仿DelFLY 的撲翼機構 ……………………………12
圖2-31 美國哈佛大學製造的碳纖維撲翼飛行器 ……………1 3
圖2-32 Elastic Power Aircraft …………………………………14
圖2-33 E-Bird ……………………………………………………14
圖2-34 I-Bird ……………………………………………………14
圖2-35 FlyBat ………………………………………….………14
圖2-36 Dragonfly ………………………………………….………14
圖2-37 Cybird ……………………………………….……………14
圖 3-1 TAMIYA JET-DASH 15159 四驅車專用馬達 ……………15
圖3-2 半邊機翼長度示意圖 ………………………………………16
圖3-3 Phantom v7.3 Digital High Speed Camera ……………16
圖3-4 SPECTRA-PHYSICS Stabilite 2017 …………………16
圖3-5 壓克力觀測箱尺寸 ……………………………………16
圖3-6 Insight 3G 軟體介面 ………………………………………16
圖3-7 壓克力觀測箱 ………………………………………………17
圖3-8 PIV 拍攝實況 ………………………………………………17
圖3-9 拍撲機構拍攝位置圖 ……………………………………17
圖3-10 架設在PIV 前方的Sheet Optic …………………………17
圖4-1 翅膀上舉以及下拍角度 …………………………………21
圖4-2 x-y 切面翅膀拍攝方向圖 …………………………………21
圖4-3 x-z 切面翅膀拍攝方向圖 …………………………………21
圖4-4 側視拍攝組數劃分圖 ………………………………………21
圖4-5 正視拍攝組數劃分圖 ………………………………………21
圖4 - 6 第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T = 1 / 2 9 ~
3/29) ……………………………………………………………22
圖4 - 6 續第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T = 4 / 2 9 ~
6/29) ……………………………………………………………22
圖4 - 6 續第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T = 7 / 2 9 ~
9/29) ……………………………………………………………22
圖4 - 6 續第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 0 / 2 9 ~
12/29) …………………………………………………………22
圖4 - 6 續第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 3 / 2 9 ~
15/29) ………………………………………………………….22
圖4 - 6 續第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 6 / 2 9 ~
18/29) …………………………………………………………22
圖4 - 6 續第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 9 / 2 9 ~
21/29) …………………………………………………………22
圖4 - 6 續第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T= 2 2 / 2 9 ~
24/29) …………………………………………………………22
圖4 - 6 續第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T= 2 5 / 2 9 ~
27/29) …………………………………………………………22
圖4 - 6 續第一組x - z 切面流場之連續攝影圖 ( T= 2 8 / 2 9 ~
29/29) …………………………………………………………22
圖4-7 第一組x-z 切面之流場渦度圖 ……………………………24
圖4 - 8 第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T = 1 / 2 9 ~
3/29) ………………………………………………………………25
圖4 - 8 續第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T = 4 / 2 9 ~
6/29) ……………………………………………………………25
圖4 - 8 續第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T = 7 / 2 9 ~
9/29) ……………………………………………………………25
圖4 - 8 續第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 0 / 2 9 ~
12/29) …………………………………………………………25
圖4 - 8 續第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 3 / 2 9 ~
15/29) …………………………………………………………25
圖4 - 8 續第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 6 / 2 9 ~
18/29) …………………………………………………………25
圖4 - 8 續第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 9 / 2 9 ~
21/29) …………………………………………………………25
圖4 - 8 續第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 2 2 / 2 9 ~
24/29) …………………………………………………………25
圖4 - 8 續第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 2 5 / 2 9 ~
27/29) …………………………………………………………25
圖4 - 8 續第一組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 2 8 / 2 9 ~
29/29) …………………………………………………………25
圖4 - 9 第二組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T = 1 / 2 4 ~
3/24) ……………………………………………………………2 6
圖4 - 9 續第二組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T = 4 / 2 4 ~
6/24) ……………………………………………………………2 6
圖4 - 9 續第二組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T = 7 / 2 4 ~
9/24) ……………………………………………………………26
圖4 - 9 續第二組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 0 / 2 4 ~
12/24) …………………………………………………………26
圖4 - 9 續第二組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 3 / 2 4 ~
15/24) …………………………………………………………26
圖4 - 9 續第二組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 6 / 2 4 ~
18/24) …………………………………………………………26
圖4 - 9 續第二組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 1 9 / 2 4 ~
21/24) …………………………………………………………26
圖4 - 9 續第二組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 2 2 / 2 4 ~
24/24) …………………………………………………………26
圖4 - 1 0 第三組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T = 1 / 2 4 ~
3/24) ………………………………………………………………27
圖4 - 1 0 續第三組x - y 切面流場之連續攝影圖( T = 4 / 2 4 ~
6/24) ………………………………………………………………27
圖4 - 1 0 續第三組x - y 切面流場之連續攝影圖 ( T= 7 / 2 4 ~
9/24) ……………………………………………………………2 7
圖4 -10 續第三組x- y 切面流場之連續攝影圖 (T= 1 0 / 2 4 ~
12/24) …………………………………………………………27
圖4 -10 續第三組x- y 切面流場之連續攝影圖 (T= 1 3 / 2 4 ~
15/24) …………………………………………………………27
圖4 -10 續第三組x- y 切面流場之連續攝影圖 (T= 1 6 / 2 4 ~
18/24) …………………………………………………………27
圖4 -10 續第三組x- y 切面流場之連續攝影圖 (T= 1 9 / 2 4 ~
21/24) …………………………………………………………27
圖4 -10 續第三組x- y 切面流場之連續攝影圖 (T= 2 2 / 2 4 ~
24/24) …………………………………………………………27
圖4-11 翅膀拍動角度繪製圖 ……………………………………28
圖4-12 翅膀上拍前水平位置之3D 渦度圖(0°) …………………28
圖4-13 翅膀下拍至水平位置之3D 渦度圖(0°) …………………28
圖4-14 翅膀上拍至30 度角之3D 渦度圖(30°) …………………29
圖4-15 翅膀上拍至最高位置之3D 渦度圖(45°) ………………29
圖4-16 翅膀下拍至最低位置之3D 渦度圖(-15°) ………………29
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