朱錦洲臺灣大學：應用力學研究所廖世華Liao, Shi-HwaShi-HwaLiao2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62384本文研究仿生工程魚游之推進力與流場量測，成功地藉由拖曳式水槽、伺服馬達控制模擬實驗魚類擺尾運動，順時鐘擺尾生成逆時鐘渦漩、逆時鐘擺尾生成順時鐘渦漩，順、逆時鐘渦漩交替生成Reverse Von Karmen Vortex street，一般認為vortex之生成與推進力有著極大的關係，因此吾人實驗著重在推力與流場量測研究，在推進力量測上，以自製荷重計量測推力範圍，發現改變擺角、擺尾頻率、拖曳速度對於推進力有顯著地影響，擺動頻率高淨推力越高、大擺角相對小擺角有較大淨推力生成、小擺角在高速拖曳時能有效地減阻維持淨推力。在流場量測方面，利用染料施放法做定性顯影觀察、使用粒子影像測速儀做定量量測，藉由PIV大區域流場量測之功能，吾人可直接可以得到量測平面上流場速度、渦度、流線量化資料，其速度場切頁顯示有一向後噴流，此股噴流攸關推進力之生成，本文利用實驗量測推力與流場量測，進一步探討推力與流場相互關係。This study is to to use PIV to measure flow field .And it also measured force by using load cell. It discussed why the fish swims efficiently.誌謝••••••••••••••••••••••••••••••••i 摘要••••••••••••••••••••••••••••••••ii 目錄••••••••••••••••••••••••••••••••iii 符號說明•••••••••••••••••••••••••••••• vi 圖表目錄••••••••••••••••••••••••••••••xiii 第一章　緒論•••••••••••••••••••••••••••• 1 　1.1研究背景•••••••••••••••••••••••••••• 1 　1.2文獻回顧•••••••••••••••••••••••••••• 2 1.3研究動機••••••••••••••••••••••••••• 5 1.4全文概述••••••••••••••••••••••••••• 6 第二章　實驗設備儀器與方法••••••••••••••••••••• 8 　2.1水槽設備與相關儀器••••••••••••••••••••••• 8 　　2.1.1工作水槽與拖曳式平台•••••••••••••••••••• 8 　　2.1.2魚尾鰭擺尾裝置機構••••••••••••••••••••• 9 　　2.1.3魚尾模型、材料••••••••••••••••••••••• 9 2.2力量量測與訊號擷取•••••••••••••••••••••• 10 2.2.1荷重感測計•••••••••••••••••••••••• 10 2.2.2 荷重計材質與應變規•••••••••••••••••••• 10 2.2.3 荷重計全橋式感測原理••••••••••••••••••• 11 2.2.4 訊號擷取••••••••••••••••••••••••• 13 2.3顯影與周邊設備•••••••••••••••••••••••• 14 2.4 實驗方法、步驟•••••••••••••••••••••••• 16 2.4.1運動控制設定••••••••••••••••••••••• 16 2.4.2實驗步驟••••••••••••••••••••••••• 17 第三章理論與與流場分析方法••••••••••••••••••••• 21 　3.1雷諾數與史徹赫數估算••••••••••••••••••••• 21 　　3.1.1雷諾數估算•••••••••••••••••••••••• 21 　　3.1.2史徹赫數估算••••••••••••••••••••••• 21 　　3.1.3推力係數估算••••••••••••••••••••••• 22 　3.2粒子影像測速儀（PIV）理論••••••••••••••••••• 23 　　3.2.1雷射原理••••••••••••••••••••••••• 23 　　3.2.2電子耦合攝影機原理•••••••••••••••••••• 23 3.2.3影像處理原理••••••••••••••••••••••• 24　　 第四章實驗結果討論••••••••••••••••••••••••• 26 4.1 實驗雷諾數與史徹赫數估算••••••••••••••••••• 26 　 4.1.1雷諾數相似性••••••••••••••••••••••• 26 4.1.2史徹赫數估算••••••••••••••••••••••• 27 4.2 Load cell荷重計受力量測••••••••••••••••••• 28 4.2.1Load cell受力量測••••••••••••••••••••• 28 4.2.2 無水拖動振動之雜訊與轉動慣量之影響•••••••••••• 28 4.2.3 無拖曳下擺動檢測Load cell量測範圍•••••••••••• 29 4.2.4 Normal force轉換成Thrust force•••••••••••••• 30 4.2.5同擺角、同擺動頻率對拖曳速度之淨推力關係••••••••• 30 4.2.6 同擺角、同拖曳速度不同擺動頻率之淨推力關係•••••••• 31 4.2.7同拖曳速度、同擺動週期、不同擺角之淨推力關係••••••• 32 　4.3流場量測••••••••••••••••••••••••••• 34 4.3.1液面染料釋放法••••••••••••••••••••••• 34 4.3.2粒子流場顯影•••••••••••••••••••••••• 35 4.3.3粒子影像測速儀(PIV)流場量測••••••••••••••••• 36 4.3.3-1流場拍攝分析•••••••••••••••••••••• 36 4.3.3-2流場比對•••••••••••••••••••••••• 36 4.3.3-3速度向量分析•••••••••••••••••••••• 37 4.3.3-4流場渦度時序變化•••••••••••••••••••• 38 第五章　結論與未來展望••••••••••••••••••••••• 40 　5.1結論••••••••••••••••••••••••••••• 40 5.2未來展望••••••••••••••••••••••••••• 41 參考文獻••••••••••••••••••••••••••••• 435330487 bytesapplication/pdfen-US仿生魚游biomimetic swimming fishthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62384/1/ntu-94-R92543006-1.pdf