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系統識別號 U0002-2007201300150500
中文論文名稱 拍撲機構之渦流場觀測
英文論文名稱 Observation of Vortical Structure Around the Surface of a Flapping-Wing
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 鄭若婷
研究生英文姓名 Roe-Ting Cheng
學號 699430350
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-05-31
論文頁數 98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  PIV  渦流場 
英文關鍵字 flapping wing  vortex  PIV 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
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.
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
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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2013-08-01公開。
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