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系統識別號 U0002-2708200815574900
中文論文名稱 拍撲翼流場之數值模擬
英文論文名稱 Numerical simulation of the flow field of flapping wings
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 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 李柏勳
研究生英文姓名 Po-Hsiung Li
學號 695430396
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-07-09
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-陳慶祥
委員-李福生
委員-湯敬民
中文關鍵字 拍撲翼  拍撲運動  動態網格 
英文關鍵字 Flapping wing  Flapping motion  Dynamic mesh 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本文是對於飛行生物的翼翅拍撲行為做空氣動力特性分析,以了解拍撲行為產生升力以及推力的機制。使用FLUENT6.2.16版求解Navier-Stokes方程式來獲得與流場相關的參數。網格系統採用複合式一致性網格系統搭配動態網格技術,能夠更真實的去模擬飛行生物的拍撲運動。
首先以較小的飛行生物如蜻蜓的翼翅做為傾斜拍撲運動的模型,並簡化翼翅拍撲的軌跡,再結合動態網格技術去計算二維橢圓翼翅在暫態流場中滯空拍撲所產生的升力與推力。並進一步去改變翼翅厚薄度,分析不同的厚薄度對於所產生的升力以及推力的變化,可以發現當翼翅越薄,升力與推力也會增加。
再以較大的飛行生物如蜂鳥的翼翅做為八字型水平拍撲運動的模型,同樣減化其拍撲運動的軌跡,結合動態網格的技術去模擬二維橢圓翼翅在滯空拍撲時所產生的升力以及推力的變化。藉由改變其八字型軌跡的縱橫比,可以分析縱橫比對於升力以及推力的影響。由結果可以發現當縱橫比越大,雖然升力有顯著的提升,但是在縱橫比超過0.2後,週期內的升力及推力的變化也增大而且有負向升力的產生,使得滯空飛行的穩定性大受影響。
透過模擬驗証的研究成果,將來可以進一步去模擬三維的翼翅拍撲以及撓曲變化,並找出更為精確的軌跡方程式,使得模擬計算的結果能夠更貼近真實生物拍撲行為的流場,可以提供微飛行器各項參數的設計與參考。
英文摘要 This thesis aims at analyzing the aerodynamic characteristics and understanding the lift and thrust generation mechanisms of flapping wings. The commercial software package, FLUENT (6.2.16 version), was utilized to solve the Navier-Stokes equations to obtain the flow fields. The grid system was constructed by a combination of conformal hybrid mesh and dynamic mesh techniques. This grid system allowed realistic simulations of flapping motions of flying creatures.
We first simulated a model wing of dragonfly. The trajectory of the flapping motion was simplified using a mathematical model and the dynamic mesh technique was employed. The unsteady flow field and the corresponding lift and drag were obtained. We then simulated the effect of the thickness of the wing on the aerodynamic characteristics. The results show that a thinner wing has better lift and thrust.
We also simulated aerodynamic performance of hummingbirds in hovering flight. The simulated results indicate that the lift and thrust change with the aspect ratio of the flapping motion trajectory. If the aspect ratio exceeds 0.2, then there is significant variation of lift and thrust; negative lift is also generated in some part of the flapping cycle. Such large variation of lift degrades the flight stability of hovering.
In the future, we expect the numerical techniques developed in this work can be extended to three-dimensional simulations with wing deflection. The trajectory equation of the flapping motion can also be improved to better simulate the motion of flying creatures.
論文目次 第一章 緒論 1
1.1研究背景與動機 1
第二章 文獻回顧 4
2.1生物飛行研究 4
2.2昆蟲產生升力的機制 5
第三章 研究方法 12
3.1統御方程式 12
3.2數值方法 13
3.2.1傳輸方程式 13
3.2.2空間項離散 13
3.2.3暫態項離散 15
3.2.4壓力-速度耦合 16
3.3網格系統 17
3.4 圓柱突然運動的暫態流場驗證 21
第四章 結果與討論 26
4.1傾斜拍撲運動 26
4.1.1 運動型態描述 26
4.1.2 網格構建與計算模式 29
4.1.3 傾斜拍撲運動升阻力分析 32
4.1.4 橢圓翼翅厚薄度分析 39
4.1.5 傾斜拍撲結果討論 46
4.2八字型水平拍撲運動 47
4.2.1 運動型態描述 47
4.2.2 網格構建與計算模式 50
4.2.3 拍撲運動升阻力分析 54
4.2.4縱橫比與升力阻力的探討 65
4.2.5八字型水平拍撲結果探討 69
第五章 總結 71
5.1結論 71
5.2未來展望 73
參考文獻 75
附錄一 論文簡要版 79

圖目錄

圖1-1生物飛行的翼展與質量比,灰色部分為MAV的理想區域 3
圖1-2翼翅拍撲的頻率與質量比,灰色部分為MAV的理想區域 3
圖2-1蜂鳥滯空懸停時,翼翅拍撲的運動軌跡 4
圖2-2昆蟲的Clap and Fling 6
圖2-3流場可視化下,機械拍撲所產生的LEV 7
圖2-4作用於翼翅上三維與二維的力分解圖 8
圖2-5果蠅翼翅拍撲一完整行程的影像分析圖 9
圖2-6 Liu and Kawachi[16]模擬得到向下行程中的LEV 11
圖3-1 一維控制體積 14
圖3-2A 一致性複合式網格 18
圖3-2B 非一致性複合式網格 18
圖3-3 FLUENT求解動態拍撲暫態流場流程圖 20
圖3-4整體計算域網格 22
圖3-5圓柱周圍網格 23
圖3-6 與r/a的關係圖 24
圖3-7圓柱後方流場的渦流生成速度比較圖 25
圖4-1拍撲運動軌跡 26
圖4-2簡化後的運動軌跡 27
圖4-3整體計算域網格 30
圖4-4翼翅周圍網格 31
圖4-5傾斜拍撲升力圖 32
圖4-6傾斜拍撲阻力圖 33
圖4-7 Wang在Re=157不同時間在翼面之渦流場 34
圖4-8本研究在Re=157不同時間在翼面之渦流場 34
圖4-9 與Wang[14]與程暮林[20] 升力與時間關係比較圖(6T) 36
圖4-10 與Wang[14]與程暮林[20] 升力與時間關係比較圖(T) 36
圖4-11 與Wang[14]與程暮林[20]阻力與時間關係比較圖(6T) 37
圖4-12 與Wang[14]與程暮林[20]阻力與時間關係比較圖(T) 37
圖4-13時間步階敏感性分析 38
圖4-14 t=T/4、T/2時的壓力分佈圖(d/c=1/12) 41
圖4-15 t=3T/4、T時的壓力分佈圖(d/c=1/12) 42
圖4-16(a) 不同厚薄度8個週期升力圖 43
圖4-16(b) 不同厚薄度單一周期升力圖 44
圖4-17(a) 不同厚薄度8個週期阻力圖 45
圖4-17(b) 不同厚薄度單一周期阻力圖 45
圖4-18蜂鳥拍撲運動軌跡 48
圖4-19簡化後的運動軌跡 48
圖4-20整體計算域網格 52
圖4-21翼翅周圍網格 53
圖4-22縱橫比0.2時10週期升力與時間關係 54
圖4-23縱橫比0.2時10週期阻力與時間關係 55
圖4-24 縱橫比0.4時10週期升力與時間關係 55
圖4-25縱橫比0.4時10週期阻力與時間關係 56
圖4-26縱橫比為0.2,t=0T、T/8時的渦度圖 57
圖4-27縱橫比為0.2,t=2T/8、3T/8時的渦度圖 58
圖4-28縱橫比為0.4,t=0T、T/8時的渦度圖 59
圖4-29縱橫比為0.4,t=2T/8、3T/8時的渦度圖 60
圖4-30縱橫比為0.2,t=0T、T/8時的壓力分佈圖 61
圖4-31縱橫比為0.2,t=2T/8、3T/8時的壓力分佈圖 62
圖4-32縱橫比為0.4,t=0T、T/8時的壓力分佈圖 63
圖4-33縱橫比為0.4,t=2T/8、3T/8時的壓力分佈圖 64
圖4-34(a) 不同縱橫比4個週期的升力比較圖 66
圖4-34(b) 不同縱橫比1個週期的升力比較圖 67
圖4-35(a) 不同縱橫比4個週期的阻力比較圖 67
圖4-35(b) 不同縱橫比1個週期的阻力比較圖 68
圖4-36不同縱橫比的平均升力 69




































表目錄

表3-1圓柱網格型狀與網格數目 21
表4-1橢圓剛性翼拍撲控制參數 29
表4-2傾斜拍撲網格點配置與數目 30
表4-3平均升力與平均推力比較 39
表4-4不同厚度平均升力與平均推力比較 46
表4-5八字型水平拍撲流場參數及運動方程式 50
表4-6八字型拍撲網格點配置與數目 51



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