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系統識別號 U0002-1908201311242300
中文論文名稱 可撓拍翼之二維準定常流場分析
英文論文名稱 2D Quasi-Steady Flow Investigation of A Flexible Flapping Wing
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 劉家誠
研究生英文姓名 Jia-Cheng Liou
學號 600370471
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-06-21
論文頁數 81頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-湯文慈
委員-蕭富元
中文關鍵字 拍翼  二維流場  計算流力  立體攝影 
英文關鍵字 Flapping  Two-dimensional flow field  CFD  Stereoscopic photography 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究利用立體攝影術擷取金探子拍翼機之拍翼面三維座標,作為計算流體力學模擬之二維動態網格,創新依翼前緣瞬時速度方向,改變入射流之瞬時攻角,進行可撓拍翼之二維準定常流場模擬,就筆者所知,係文獻上之首創。
本研究將金探子拍翼機置入風速3m/s的風洞內機身傾角200,以兩台高速攝影機進行風洞拍攝實驗,搭配光學動作捕捉設備,經Kwon CC 將比例尺數位化,計算誤差為0.15 cm,並使用Kwon 3D 擷取翼膜擾動情形,得一拍翼周期共70組之時變翼面離散座標,續以Surfer 進行70組時變翼面模擬之內差並擷取各別之1/4 翼展二維剖面座標,帶入Gambit 建模成為可撓拍翼之二維動態網格,再讀入Fluent 內設定邊界參數與設定CFD 模擬方式,模擬拍翼產生的升力與推力。經與實際風洞實驗數據比較,發現模擬出之升力數據與風洞實驗數據定性相似。
英文摘要 The focus of this thesis is described the improved procedure to transfer the discrete 3D coordinates of a flapping wing into the well-posed moving boundaries for a 2D quasi-steady CFD, accordingly and therefore shows its promising feature.
2D quasi-steady flow simulation of a flapping wing with given moving boundary fed frome stereo-photography measurement is firstly conducted in this thesis. Through the calibration of the software Kwon 3D, the 3D trajectory measurement error is estimated below 0.15 cm. The whole research framework used the software Surfer, and Gambit to slice a quarter-span cross section from the previous 3D trajectory. It’s then regarded as a 2D solid boundary for the quasi-steady CFD simulation by Fluent. The upwind direction changing of the flapping flow field has also been novelly considered herein. The computed time-varying outputs include the 2D flow fields and the corresponding lift coefficient. The one cycle history of lift coefficient subjected to 14 Hz flapping, 200 inclined angle and 3m / s upstream velocity shows the qualitative similarity to the corresponding wind tunnel data.
論文目次 目錄 III
圖目錄 V
表目錄 X
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機與目的 3
1-3 文獻回顧 7
1-4 論文架構與研究方法 11
第二章 MAV材料特性 13
2-1 拍翼式MAV簡介 13
2-2 MAV 翼膜材料特性 18
2-3 先前實驗翼膜 19
2-4 先前實驗翼膜問題探考 21
2-5 標誌點可撓性翼膜 25
第三章 風洞軌跡擷取實驗 28
3-1 風洞與影像擷取攝影系統簡介 28
3-2 風洞實驗架設與流程 33
3-2-1 風洞實驗架設 34
3-2-2 Kwon3D 座標點擷取 35
第四章 拍翼流場數值分析 38
4-1 分析軟體簡介 38
4-2 CFD 實驗架構 41
4-3 拍翼CFD 42
4-4 結果與探討 56
第五章 結論與未來建議 60
5-1 結論 60
5-2 未來建議 61
參考文獻 62
附錄A 攻角30˚ 之風洞軌跡擷取實驗 68
附件B 金探子拍翼機曳力分析 80

圖目錄
圖1-1 飛行者一號(Flyer one) ................................................................... 2
圖1-2 自然界飛行生物翼展與重量之關係 ............................................. 3
圖1-3 R. Wood 製作的機器蒼蠅 .............................................................. 4
圖1-4 R. Wood,機器蒼蠅與硬幣大小比較 ........................................... 4
圖1-5 淡江拍翼機流場研究三角框架 ..................................................... 6
圖1-6 蜂鳥滯空時之拍翼軌跡 ................................................................. 7
圖1-7 關節軌跡比對 (a)Plecotus auritus 翼尖軌跡 (b)可折疊性機翼
軌跡 ..................................................................................................... 8
圖1-8 蝴蝶等比例撲翼式微飛行器 ......................................................... 8
圖1-9 閃頻觀測儀拍攝起飛姿態 (a)蝴蝶 (b)拍翼式微飛行器 ............ 9
圖1-10 翼前緣向下拍擊應力分佈 ........................................................... 9
圖1-11 仿蜂鳥微拍翼機 ......................................................................... 10
圖1-12 仿海鷗拍翼機 ............................................................................. 10
圖1-13 3-D 類蜻蜓翼翼前緣渦流結構圖 .............................................. 11
圖1-14 架構流程圖 ................................................................................. 12
圖2-1 Caltech 開發之拍翼式飛行器Micro Bat ..................................... 14
圖2-2 塑膠減速齒輪傳動套件:(a)正視圖;(b)側視圖 ...................... 15
圖2-3 本研究拍翼式飛行器之翼膜形狀示意 ....................................... 16
圖2-4 保麗龍機身 ................................................................................... 16
圖2-5 尾翼設計成可垂直站立的金探子 ............................................... 17
圖2-6 水平向尾翼工程視圖 ................................................................... 17
圖2-7 垂直向尾翼工程視圖 ................................................................... 17
圖2-8 PET聚對苯二甲酸乙二醇酯 ......................................................... 18
圖2- 9 紫外燈管 ...................................................................................... 19
圖2-10 先前實驗之光罩圖 ..................................................................... 20
圖2-11 標誌點貼附於翼膜 ..................................................................... 20
圖2-12 將翼膜裝於拍翼式微飛行器 ..................................................... 20
圖2-13 使用高速攝影機拍攝夜光凝膠翼膜 ......................................... 21
圖2-14 夜光水性凝膠標誌點翼膜產生摺痕示意圖 ............................. 22
圖2-16 攝影時打光之方位 ..................................................................... 23
圖2-17 實驗光源位置(a)無偏光鏡(b)有偏光鏡 .................................... 24
圖2-18 背光拍攝(a)無偏光鏡(b)有偏光鏡 ............................................ 24
圖2-19 先前實驗之翼膜標誌點位置圖 ................................................. 25
圖2-20 修改後翼膜標誌點位置圖 ......................................................... 26
圖2-21 標誌點繪製 ................................................................................. 27
圖2-22 使用高速CCD拍攝情形 ............................................................. 27
圖3-1 高速CCD Phantom V4.2 ............................................................... 28
圖3-2 高速CCD Phantom M310 ............................................................. 29
圖3-3 PR8363 型電源供應器 ................................................................. 30
圖3-4 風洞系統 ....................................................................................... 31
圖3-5 Kwon 3D 拍攝示意 ...................................................................... 32
圖3-6 不同方位之高速攝影機軌跡擷取 ............................................... 33
圖3-7 風洞軌跡截取實驗時計拍攝圖 ................................................... 34
圖3-8 光學式動作捕捉設備 ................................................................... 36
圖3-10 光學式捕捉系統測定之框架軌跡 ............................................. 37
圖3-11 Kwon CC 空間座標化誤差值0.15 cm ....................................... 37
圖4-1Gambit 網格建立 ........................................................................... 39
圖4-2 Fluent 實作圖 ................................................................................ 39
圖4-3 Surfer 模擬飛行時翼表面起伏 .................................................... 40
圖4-4 1/4翼展截取示意圖 ....................................................................... 41
圖4-6 翼面模擬與等高線圖 ................................................................... 43
圖4-7 第一組data 翼面等高線圖(每二畫面之時間距為1/140 秒) .... 44
圖4-8 第二組data 翼面等高線圖(每二畫面之時間距為1/100 秒) .... 45
圖4-9 第一組data 1/4 翼展上行程中線圖 ............................................ 46
圖4-10 第一組data 1/4 翼展下行程中線圖 .......................................... 46
圖4-11 第二組data 1/4 翼展上行程中線圖 .......................................... 47
圖4-12 第二組data 1/4 翼展下行程中線圖 .......................................... 47
圖4-13 第一組data 流場架構圖 ............................................................ 48
圖4-14 第二組data 流場架構圖 ............................................................ 48
圖4-15 (a)標誌點拍翼網格(b)兩種網格系統邊緣綴接放大圖 ............. 49
圖4-16 第一組data 壓力場之變化 ........................................................ 50
圖4-17 第一組data 速度場之變化 ........................................................ 51
圖4-18 第二組data 第一種邊界條件壓力場之變化 ............................ 53
圖4-19 第二組data 第一種邊界條件速度場之變化 ............................ 54
圖4-20 第二組data 第一種邊界條件流場之變化 ................................ 55
圖4- 21 微飛行器風洞測試訊號截取半自動化電壓3.7 V 升力圖 ..... 56
圖4-22 本實驗第一組data 模擬電壓3.7V 升力圖 .............................. 56
圖4-23 文獻[12] 模擬電壓3.7 V 升力圖 ............................................. 57
圖4-24 本實驗第二組data 模擬電壓3.7 V 升力圖 ............................. 58
圖4-25 (a)風洞軌跡擷取實驗之機身 (b)微飛行器風洞測試訊號截取
半自動化實驗之拍翼機身 .............................................................. 59
圖4-26 (a)風洞軌跡擷取實驗之軌跡 (b)微飛行器風洞測試訊號截取
半自動化實驗之軌跡 ...................................................................... 59
圖5-1 X-Flow 模擬拍翼 .......................................................................... 61
圖A-1 攻角30°翼面等高線圖(每二畫面之時間距為1/200 秒) ........... 68
圖A-2 攻角30° 1/4 翼展上行程中線圖 ................................................. 69
圖A-3 攻角30° 1/4 翼展下行程中線圖 ................................................. 69
圖A-4 第二組data 流場架構圖 ............................................................. 70
圖A-5 邊界條件一個入口三個出口 ...................................................... 70
圖A-6 邊界條件仿風洞一個入口一個出口 .......................................... 71
圖A-7 第一種邊界條件壓力場之變化 .................................................. 72
圖A-8 第一種邊界條件速度場之變化 .................................................. 73
圖A-9 第一種邊界條件流場之變化 ...................................................... 74
圖A-10 第二種邊界條件壓力場之變化 ................................................ 75
圖A-11 第二種邊界條件速度場之變化 ................................................ 76
圖A-12 第二種邊界條件流場之變化 .................................................... 77
圖A-13 第一種邊界模擬電壓3.7 V 升力圖 ......................................... 78
圖A-14 第二種邊界模擬電壓3.7 V 升力圖 ......................................... 79
圖B-1 風洞軌跡擷取實驗之曳力圖 ...................................................... 80
圖B-2 半自動化擷取實驗之曳力圖 ...................................................... 80

表目錄
表2-1 淡江大學研究團隊開發之拍翼式MAV演進 .............................. 14
表2-2 傳動系統重量表 ........................................................................... 15
表3-1 Phantom V4.2 規格表 ................................................................... 29
表3-2 Phantom M310 規格表 ................................................................. 29
表4-1 微飛行器風洞測試訊號截取半自動化實驗與風洞軌跡截取實
驗比較 ............................................................................................... 58
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[40] AlexWorks Photography
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[42] Digital High Speed Image Capturing System, TroubleShootting HR.
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[43] AMETEK
http://www.visionresearch.com/Products/High-Speed-Cameras/Miro-M310/
[44] Kwon3D
http://www.kwon3d.com/
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[46] 全傑科技
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[47] X flow
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論文使用權限
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