系統識別號 | U0002-2007201300150500 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2013.00767 |
論文名稱(中文) | 拍撲機構之渦流場觀測 |
論文名稱(英文) | Observation of Vortical Structure Around the Surface of a Flapping-Wing |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 航空太空工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Aerospace Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 101 |
學期 | 2 |
出版年 | 102 |
研究生(中文) | 鄭若婷 |
研究生(英文) | Roe-Ting Cheng |
學號 | 699430350 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2013-05-31 |
論文頁數 | 98頁 |
口試委員 |
指導教授
-
湯敬民(jing-min_tang@hotmail.com)
委員 - 牛仰堯(sonicwave711@gmail.com) 委員 - 葉泳蘭(ylyeh1229@gmail.com) |
關鍵字(中) |
拍撲翼 PIV 渦流場 |
關鍵字(英) |
flapping wing vortex PIV |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
近年來,拍翼之流場為眾多學者研究的目標,但拍翼之三維動態流場研究並未多見,為了要了解翅膀拍動時在上下表面所產生的渦流變化情況,本文利用一類似蝴蝶前翼之簡單拍撲機構,藉由改變頻率及振幅,探討翼面不同位置隨翅膀上下擺動時流場中的渦流變化。利用二維之粒子影像測速儀觀測其三維之動態流場,並繪製成三維渦流變化圖。 實驗結果顯示,在不同的翅膀拍動頻率與振幅條件下,渦流成長及消散之情形類似。而振幅改變之效能最佳。藉由雷射切面之渦流觀測,可知翅膀在下拍時,各位置之渦流截面積差異較大,其翼尖位置渦流較小,中間位置最大,而後渦流截面積變小,此變化可能與翅膀各位置之壓力差相關。 |
英文摘要 |
The studies of flapping mechanism have been wide spreaded in recent years. The influence of the controlling parameters on the flapping mechanism was studied in this research. To investigate the vertical flow structure, a biomimetic flapping wing was set up and was used for the experiment. The floe field was observed and analyzed using high speed camera. The captured images showed that the size as well as the strength of the vortex varied with both flapping frequency and amplitude. The size of the leading edge vortex distributed spanwise is larger in mid-section of the wing. The results of the research is helpful in understanding the three-dimension flow field and cab be used for comparison with results of numerical simulation. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄………………………………………………………………………i 表目錄…………………………………………………………………iii 圖目錄…………………………………………………………………iv 第一章 緒論……………………………………………………………1 1-1 前言……………………………………………………………1 第二章 文獻回顧……………………………………………………3 2-1 飛行器之種類……………………………………………………4 2-1.1 撲翼機發展………………………………………………………5 2-2 昆蟲飛行……………………………………………………………8 第三章 實驗設備與方法……………………………………………12 3-1 實驗模型…………………………………………………………12 3-2 實驗設備…………………………………………………………12 3-3 實驗分析…………………………………………………………13 3-3.1粒子影像測速儀(Particle image velocimetry,PIV)原理…13 3-3.2粒子影像測速儀(Particle image velocimetry,PIV)量測…14 第四章 結果與討論…………………………………………………15 4-1 拍撲機構之渦流變化……………………………………………15 4-2 拍撲機構xz切面之渦流變化…………………………………17 ii 4-3 改變頻率之機構渦流變化………………………………………17 4-4 改變振幅之機構渦流變化……………………………………17 4-5 三組之週期比較…………………………………………………18 4-6 三組機構上舉到最高角度時之渦度分析探討…………………18 4-7 三組拍撲機構下拍到最低角度時之渦度分析探討……………19 4-8 3D渦流變化圖繪製………………………………………………19 第五章 結論與未來展望…………………………………………22 5-1 結論………………………………………………………………22 5-2 未來展望………………………………………………………23 第六章 參考文獻…………………………………………………87 表目錄 表3-1 實驗攝影機之規格……………………………………………24 表3-2 實驗雷射規格…………………………………………………25 表5-1 三組參數之比較………………………………………………26 圖目錄 圖2.1 達文西筆記草繪之噗翼飛行器………………………………27 圖2.2 法國人 Gustave Trouve 做出第一架無人撲翼機…………27 圖2.3 德國人 Alexander Lippisch 做出第一架有人撲翼機……28 圖2.4 1902 年英國 Edward P. Frost 做出之撲翼機……………28 圖2.5 萊特兄弟的”飛行者一號”飛翔於空中……………………29 圖2.6 36 cm orithoper…………………………………………….29 圖2.7 28 cm orithoper…………………………………………….30 圖2.8 Ornithopter wing fitted to propeller balance………30 圖2.9 以橡皮筋為動力之拍撲機……………………………………31 圖2.10 I bird 以馬達為動力之拍撲機……………………………31 圖2.11 昆蟲在下拍過程中產生的前緣渦流……………………….32 圖2. 12 昆蟲在上拍過程中產生新的前緣渦流……………………32 圖2.13 鳥類撲翼產生的空氣動力影響…………………………..33 圖2.14 蝙蝠撲翼產生的空氣動力影響…………………………..33 圖2.15 昆蟲振翅飛行之機制……………………………………..34 圖2.16 平面滑塊曲柄機構………………………………………..34 圖2.17 Brodsky 拍下蝴蝶飛行時的渦流結構…………………….35 圖2.18 Srygley 和Thomas 拍下蝴蝶飛行時的渦流結構………..35 圖 3.1 四驅車專用馬達…………………………………………….36 圖3.2 Phantom v7.3 Digital High Speed Camera…………….36 圖4.1 本研究所選取之位置…………………………………………37 圖4.2 原始拍撲機構連續動作高速攝影圖片……………………..38 圖4 . 2 續原始拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=4/28-6/28)…………………………………………………………39 圖4 . 2 續原始拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=7/28-9/28)…………………………………………………………40 圖4 . 2 續原始拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=10/28-12/28)………………………………………………………41 圖4 . 2 續原始拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=13/28-15/28)………………………………………………………42 圖4 . 2 續原始拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=16/28-18/28)………………………………………………………43 圖4 . 2 續原始拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=19/28-21/28)………………………………………………………44 圖4 . 2 續原始拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=22/28-24/28)………………………………………………………45 圖4 . 2 續原始拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=25/28-28/28)………………………………………………………46 圖4.3 拍撲機構xz 切面示意圖…………………………………….47 圖4.4 原始拍撲機構正向切面的連續動作高速攝影圖片…………48 圖4 . 4 續原始拍撲機構正向切面的連續動作高速攝影圖片 (T=4/28-6/28)…………………………………………………………49 圖4 . 4 續原始拍撲機構正向切面的連續動作高速攝影圖片 (T=7/28-9/28)…………………………………………………………50 圖4 . 4 續原始拍撲機構正向切面的連續動作高速攝影圖片 (T=10/28-12/28)………………………………………………………51 圖4 . 4 續原始拍撲機構正向切面的連續動作高速攝影圖片 (T=13/28-15/28)………………………………………………………52 圖4 . 4 續原始拍撲機構正向切面的連續動作高速攝影圖片 (T=16/28-18/28)………………………………………………………53 圖4 . 4 續原始拍撲機構正向切面的連續動作高速攝影圖片 (T=19/28-21/28)………………………………………………………54 圖4 . 4 續原始拍撲機構正向切面的連續動作高速攝影圖片 (T=22/28-24/28)………………………………………………………55 圖4 . 4 續原始拍撲機構正向切面的連續動作高速攝影圖片 (T=25/28-28/28)………………………………………………………56 圖4.5 改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片…………………57 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=4/44-6/44)…………………………………………………………58 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=7/44-9/44)…………………………………………………………59 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=10/44-12/44)………………………………………………………60 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=13/44-15/44)………………………………………………………61 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=16/44-18/44)………………………………………………………62 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=19/44-21/44)………………………………………………………63 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=22/44-24/44)………………………………………………………64 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=25/44-27/44)………………………………………………………65 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=28/44-30/44)………………………………………………………66 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=31/44-33/44)………………………………………………………67 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=34/44-36/44)………………………………………………………68 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=37/44-39/44)………………………………………………………69 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=40/44-42/44)………………………………………………………70 圖4 . 5 續改變頻率拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=43/44-44/44)………………………………………………………71 圖4.6 改變振幅拍撲機構連續動作高速攝影圖片…………………72 圖4 . 6 續改變振幅拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=4/13-6/13)…………………………………………………………73 圖4 . 6 續改變振幅拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=7/13-9/13)…………………………………………………………74 圖4 . 6 續改變振幅拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=10/13-12/13)………………………………………………………75 圖4 . 6 續改變振幅拍撲機構連續動作高速攝影圖片 (T=13/13)………………………………………………………………76 圖4.7 原始拍撲機構上舉至45 度角時之渦度分析圖…………….76 圖4.8 改變頻率之拍撲機構上舉至45 度角時之渦度分析圖…….77 圖4.9 改變振幅之拍撲機構上舉至30 度角時之渦度分析圖…….77 圖4.10 原始拍撲機構下拍至-15 度角時之渦度分析圖………….78 圖4.11 改變頻率之拍撲機構下拍至-15 度角時之渦度分析圖….78 圖4.12 改變振幅之拍撲機構下拍至-30 度角時之渦度分析圖….79 圖4.13 翅膀拍動角度圖…………………………………………….79 圖4.14 示意圖……………………………………………………….80 圖4.15 原始機構上舉至0 度時3D 渦流表示………………………80 圖4.16 改變頻率機構上舉至0 度時3D 渦流表示圖………………81 圖4.17 改變振幅機構上舉至0 度時3D 渦流表示圖………………81 圖4.18 原始機構上舉至45 度時3D渦流表示圖……………………82 圖4.19 改變頻率機構上舉至45 度時3D渦流表示圖………………82 圖4.20 改變振幅機構上舉至30 度時3D渦流表示圖………………83 圖4.21 原始機構下拍至0 度時3D 渦流表示圖……………………83 圖4.22 改變頻率機構下拍至0 度時3D 渦流表示圖………………84 圖4.23 改變振幅機構下拍至0 度時3D 渦流表示圖………………84 圖4.24 原始機構下拍至-15 度時3D 渦流表示圖…………………85 圖4.25 改變頻率機構下拍至-15 度時3D 渦流表示圖……………85 圖4.26 改變振幅機構下拍至-30 度時3D 渦流表示圖……………86 |
參考文獻 |
[1] 羅倩宜譯、Domenico Laurenza 原著,達文西的飛行機器(LEONARDO On Flight),世茂出版有限公司,2009。 [2] How Come I've Never Heard of Gustav Trouve, Online Available:http://nfttu.blogspot.com/2006/12/how-come-ive-never- heard -of-gustav.html. [3] DeLaurier, J. D., “An Ornithopter Wing Design,” Canadian Aeronautics and Space Journal, Vol. 40, No. 1, pp.10-18, March 1994. [4] Alexander, M. L., “Man Powered Flight in 1929,” Journal of the Royal Aeronautical Society, Vol.64, pp395-398, July 1960 [5] Stanley, R. M., “Human Factors of Powered Flight: The Wright Brothers’ Contributions,” Aviation, Space, and Environmental Medicine, Vol.75, No.2, pp. 184-188, Feb. 2004 [6] Stanley, R. M., “Human Factors of Powered Flight: The Wright Brothers’ Contributions,” Aviation, Space, and Environmental Medicine, Vol.75, No.2, pp. 184-188, Feb. 2004. [7] Ellington, C. P., “The Novel Aerodynamics of Insert Flight: Applications to Micro-Air Vehicles,” The Journal of Experimental Biology, Vol.202, pp.3439-3448, 1999. [8] Park, Joon-Hyuk , Yoon, Kwang-Joon and Park, Hoon-Cheol, “Development of Bio-mimetic Composite Wing Structures and Experimental Study on Flapping Characteristics,” Proceedings of 2007 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, pp.25-30, 2007. [9] Weis-Fogh, T., “Quick Estimates of Flight Fitness in Hovering Animals, Including Novel Mechanisms for Lift Production,” The Journal of Experimental Biology, Vol.59, pp.169-230, 1973. [10]馮國華,”拍撲式微飛行器之製作改良及其飛行訊息傳輸之合”,碩士論文,淡江大學機械與機電工程學系研究所 [11]葉盛清,劉美青,”微飛行器的製作”,專題製作,逢甲大學自動控制工程學系,2005 [12]Emily Craparo, Ben Ingram.” A Micro-Sized Ornithopter Wing Design”.AIAA-2003-108,2003. [13]程士洲,”撲翼機之製作與升力量測”,碩士論文,國立成功大學航空太空工程研究所,2009 [14]歐亦泰,“振翅翼翅膀結構對升力之影響”,碩士論文,成功大學航空太空工程研究所,2007 [15]Steven Ho, A, Hany Nassefa, Nick Pornsinsirirakb, Yu-Chong Taib and Chih-Ming Hoa ,”Unsteady Aerodynamics and Flow Control for Flapping Wing Flyers”,2003. [16]Van Den Berg C,Ellington CP.”The three-dimensional leading-edge vortex of a hovering model hawkmoth”, pp.329-340,1997. [17] T.Maxworthy,”Experiments on the Weis-Fogh mechanisms of lift generation by insects in hovering flight”,1979. [18] Dickinson M H;Lehmann F-O;Sane S P , ”Wing rotation and the aerodynamic basis of insect flight ”,1999. [19] Norberg, U. M., “Aerodynamics, Kinematics, and Energetics of Horizontal Flapping Flight in the Long-Eared Bat Plecotus Auritus,” The Journal of Experimental Biology, Vol. 65, pp.179-212, 1976. [20]Rayner,J.M.V.,”Form and function in avian flight”,Curr. Orn.,pp.51-66,1988. [21] Madangopal, R., Khan, Z. A. and Agrawal, S. K., “Energetics-Based Design of Small Flapping-Wing Micro Air Vehicles,”IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.11, Issue 4, pp.433-438, Aug. 2006. [22]J.H.Marden, J.Exp.Biol ,” Unifying Constructal Theory for Scale Effects in Running, Swimming and Flying”,1987. [23] G. Ruppell, ‥ Kinematic Analysis of Symmetrical Fight Manoeuvres of Odonata”,1989. [24]A.F.G.Dixon and P.Kindlmann,” Insect Predator-Prey dynamics and the Biological Control of Aphids by Ladybirds”,1999. [25]C.P.Ellington,” Power and Efficiency of Insect Fight muscle”,1999. [26] BETTS, C.R., & R.J. WOOTTON.” Wing shape and flight behavior in butterflies”(Lepidoptera: Papilionoidae and Hesperioidae),pp.271–288,1988 [27]Dudley R.“BIOMECHANICS OF FLIGHT IN NEOTROPICAL BUTTERFLIES: AERODYNAMICS AND MECHANICAL POWER REQUIREMENTS”,pp.37-53,1990 [28] Dudley R,” Biomechanics of Flight in Neotropical Butterflies: Aerodynamics and Mechanical Power Requirements”,pp.335-357,1991 [29] BRODSKY A K,“VORTEX FORMATION IN THE TETHERED FLIGHT OF THE PEACOCK BUTTERFLY INACHIS 10 L. (LEPIDOPTERA, NYMPHALIDAE) AND SOME ASPECTS OF INSECT FLIGHT EVOLUTION”,pp.77-95,1991 [30]Srygley R B & Thomas A L R,”Unconventional lift-generating mechanisms in free-flying butteries”,pp.660-664,2002 [31]孫茂,黃華,”微型飛行器的仿生力學;蝴蝶飛行的氣動力特性”,北京航天大學學報,pp.660-664,2006。 [33] 章聿珩,”運動學參數對鳥類拍撲翼之升力影響”,國立台灣大學機械工程學系研究所碩士論文,pp.26-28,2010。 [34]J. Westerweel, “Fundamentals of Digital Particle Image Velocimetry”, Measurements science and technology 8pp.1379-1392,1997. [35]R.D. Keane, R. J. Adrian, “Theory of Cross-Correlation Analysis of PIV Images”, Applied scientific research, Vol.49, pp.191-215,1992. [36]陳文元,”微型撲翼式仿生飛行器”,上海交通大學出版社,pp.51-59,pp.182-190,2010。 |
論文全文使用權限 |
如有問題,歡迎洽詢!
圖書館數位資訊組 (02)2621-5656 轉 2487 或 來信