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系統識別號 U0002-2207201916030500
中文論文名稱 應用皂膜於拍翼下洗之量測
英文論文名稱 Downwash Measurement of A Flapping Wing Using Soap Film
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 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 任治宇
研究生英文姓名 Chih-Yu Jen
電子信箱 james4105200@gmail.com
學號 606370186
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-21
論文頁數 66頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-鄭元良
委員-胡毓忠
中文關鍵字 拍翼  皂膜  流場  下洗 
英文關鍵字 Flapping wing micro-air-vehicle(FWMAV)  Soap film  Flow film  Dawnwash 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文研究拍翼流場之皂膜顯像,皂膜流場顯現是藉由肥皂薄膜干涉效應,使得光通過後會根據皂膜厚度變化而有不同的顏色表現,拍翼機的拍翼擾動會帶動皂膜的厚度變化,進而以色彩變化的方式表現出流場變化。
本文基於本團隊黃心綸於2014年「二維準定常拍翼流場及其泡膜顯像」進行改良設計,將拍翼前進方向由平行皂膜,改為垂直皂膜(穿出皂膜)。工作分別為調配實驗專用之泡泡液、改良實驗設計、擷取皂膜實驗之影像、處理分析影像,並從中量測拍翼下洗數值,最後與風洞結果做比較。得到之皂膜平均升力數據為風洞數據之87%。本實驗因為屬於定量,未來希望補足定性的風洞煙線實驗,成為一種新的流場觀測方式。
英文摘要 In this paper, the novel method utilizing soap film to observe the flow field of the flapping wing MAV is studied. Via mass conservation and Gauss theory applied to the soap-film, the quantitative relationship between the color or thickness field of the soap-film and the corresponding 3D downwash induced by the penetrating flapping wing is derived successfully. The calibration is done using Matlab in order to convert the color red-green-blue (RGB) values from the high-speed image to soap-film thickness by a standard wavelength chart.
This paper is based on the improved design of the “Two-Dimensional Quasi-fixed Wing Flow Field and Bubble Membrane Imaging” conducted by Huang Xinlun and his team in 2014. The moving way of the flapping wings is adjusted to through the soap film orthogonally. The entire process of work includes preparing the bubble liquid for experiment, improve the experimental design, capture the image of the soap film experiment, process the captured image, and measure the value under the wing measurement from the center and finally compare it with the wind tunnel result. The average lift data of the obtained soap film is 87% of the wind tunnel data. Because this experiment belongs to quantitative, it is hoped to supplement the qualitative wind tunnel streak line experiment in the future and become a new way of observation of flow field.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 文獻回顧 7
1-3 拍翼下洗 9
1-4 論文架構 9
第二章 泡泡水配方之調製 11
2-1 皂膜成形原理 11
2-2 皂膜配方調製 12
2-3 皂膜配方之測試分析結果 15
第三章 皂膜顯影實驗 16
3-1 實驗設備 16
3-1-1 光學設備 16
3-1-2 機械設備 21
3-1-3 皂膜設備 23
3-2 皂膜參數 24
3-2-1薄膜干涉 25
3-2-2 圓柱體尾流實驗_運動黏滯係數 27
3-3 皂膜實驗架構及理論 31
3-4 皂膜流場可視化實驗步驟 35
3-4-1張膜與調光 35
3-4-2 錄製皂膜影像 36
第四章 下洗流之觀測與升力之計算 38
4-1 實驗軟體 38
4-2 影像處理 39
4-3 拍翼下洗流之觀察與軌跡點抓取 40
4-4 計算平均下洗值與升力 41
4-5 風洞量測 42
4-6 黑白高速攝影機量測拍翼下洗速度值 44
4-7 結論 45
第五章 結果討論 46
5-1 研究結果討論 47
5-2 未來發展方向 48
參考文獻 50
附錄A - 3D列印技術於拍翼機機構之應用 54
附錄B - Matlab程式碼 65
B-1 快速傅立葉轉換(頻譜分析) 65
B-2 低通濾波 66



圖目錄
圖1.1、初探者 2
圖1.2、Eagle II 2
圖1.3、第一代金探子 2
圖1.4、Pro-金探子 2
圖1.5、可合拍之機構 3
圖1.6、拍翼軌跡座標擷取:(a)LED嵌於翼膜上;(b)拍翼軌跡之顯像 3
圖1.7、10公分翼展之微探子 4
圖1.8、雙側桿機構 5
圖1.10、高攻角飛行 5
圖1.11、拍翼編隊飛行於風洞之量測 5
圖1.9、五連桿機構之實際飛行 5
圖1.12、線性馬達與機構組裝圖 6
圖1.13、卡門渦街 7
圖1.14、渦度等高線示意圖 8
圖1.15、拍翼模型示意圖 8
圖1.16、渦流矢量圖 8
圖1.17、拍翼之皂膜顯像 9
圖2.1、泡膜結構圖 11
圖2.2、甘油 13
圖2.3、DAWN洗碗精 14
圖2.4、和盛泡泡水 14
圖 3.1、攝影設備:(a)彩色高速攝影機Phantom Miro EX4;(b)影像控制軟體PCC;(c)型號參數;(d)單幀畫素(H×V)與影格率(fps) 17
圖3.2、不同光源下,皂膜干涉條紋圖:(a)石英燈;(b) LED燈 18
圖3.3、不同光源下,皂膜干涉條紋的RGB三色強度分布圖,由左到右顯示直立皂膜由上而下週期變化的RGB值,單色強度為1-225:(a)石英燈;(b) LED燈 18
圖3.4、第一代反射式矩形ERS燈箱:(a)45度正面;(b)45度背面 20
圖3.5、第二代直射式三角形燈箱 20
圖3.6、第三代反射式半圓形EPS燈箱:(a)燈箱內面;(b)燈箱背面 21
圖3.7、10cm翼展拍翼機翼膜規格:(a)微探子之翼膜;(b)皂膜實驗使用翼膜 21
圖3.8、拍翼機懸空夾具:(a)三維結構圖;(b)3D列印成品 22
圖3.9、Parylene鍍膜機 23
圖3.10、壓克力框架(單位:mm) 24
圖3.11、皂膜厚度與干涉關係圖 25
圖3.12、膜厚與干涉色的色度坐標關係:(a)色度坐標;(b)入射角θ= 0°,皂膜厚度在10nm到600nm之間;(c)入射角θ= 0°,皂膜厚度在600nm到1200nm之間 26
圖3.13、光源D65,折射率n = 1.33的皂液,皂膜厚度0nm到1000nm之間, RGB三色強度與膜厚關係圖 26
圖3.14、圓柱體尾流皂膜成像圖 28
圖3.15、圓柱流史徹荷數St (Strouhal Number)與雷諾數Re (Reynolds Number)關係。皂膜黏滯係數實驗,量測範圍在圖中左下角方框內 29
圖3.16、皂膜流場量化流程圖 31
圖3.17、拍翼機行進時,在皂膜上留下因膜厚變化,形成彩色干涉影像 32
圖3.18、機翼周圍的三維流場積分:(a)機翼平行皂膜移動;(b)機翼垂直穿突皂膜 33
圖3.19、自由流在翼後緣偏轉,形成下洗的向量關係 34
圖3.20、拍翼機穿透皂膜平面產生下洗流 34
圖3.21、微型拍翼機皂膜可視化的實驗裝置與步驟 36
圖3.22、10cm翼展拍翼機在一個拍翼週期中翼面動作與肥皂膜流動的影像 37
圖4.1、PCC軟體影片編輯功能 38
圖4.2、Tracker使用介面 39
圖4.3、設定座標原點和比例尺 40
圖4.4、追蹤特徵點 40
圖4.5、特徵點軌跡:(a)軌跡點在x軸與y軸上位置與時間的關係圖;(b)xy軸座標值與對應時間 41
圖4.7、下洗流速度曲線圖 41
圖4.8、風洞設備 42
圖4.9、六軸力規 42
圖4.10、風洞升力曲線圖 43
圖4.11、傅立葉轉換頻譜圖 43
圖4.12、黑白高速攝影機 44
圖4.13、黑白影像特徵點追蹤 44
圖4.14、黑白畫面實驗升力曲線圖 45
圖4.15、皂膜與風洞數據比較圖 46
圖5.1、聚乙二醇 48
圖5.2、泡泡製造機 49
圖5.3、泡泡機皂膜製造方式:(a)線結在一起時;(b)線張開後形成皂膜 49
圖A.1、Polycarbonate(Polyjet)零件與組裝後機構 55
圖A.2、Visijet SL Flex(SL)零件與組裝後機構 55
圖A.3、Visijet M2R-Wt(MJP)零件與組裝後機構 55
圖A.4、機械元件改良設計(a)主機幹(b)長連桿(c)N型桿 56
圖A.5、傾斜角0度之升力圖 57
圖A.6、傾斜角0度之推力圖 57
圖A.7、傾斜角20度之升力圖 58
圖A.8、傾斜角20度之推力圖 58
圖A.9、傾斜角30度之升力圖 59
圖A.10、傾斜角30度之推力圖 59
圖A.11、傾斜角40度之升力圖 60
圖A.12、傾斜角40度之升力圖 60
圖A.13、傾斜角50度之升力圖 61
圖A.14、傾斜角50度之推力圖 61
圖A.15、傾斜角60度之升力圖 62
圖A.16、傾斜角60度之推力圖 62


表目錄
表2.1、泡泡液各配方比例比較 15
表 3.1、石英燈型號參數 19
表 3.2、相同圓柱體不同移動速度下,皂膜流場之史徹荷數St,雷諾數Re,與運動黏滯係數。實驗溫度28°C,平均運動黏滯係數1.95×10-5m2/s 30
表4.1 風洞與皂膜實驗數據比較 46
表A.1、三種3D列印材料之參數比較 63

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