朱錦洲臺灣大學：應用力學研究所陳譽升Chen, Yu-ShenYu-ShenChen2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62348本實驗是研究以NACA0012可撓性翼為主體，並在以水為工作流體的流場下，作周期性的擺尾動作，並配合周期性的昇降運動及定速的拖曳運動，並觀察其在可撓性翼尾端(Trailing edge)所產生的渦漩及流場行為，另外在流場外、拖曳平台的側邊，設置一CCD高速攝影機，用以拍攝流場，且設定和可撓性翼作同步昇降運動。 　　其中昇降運動的角頻率、拖曳運動的行進速度皆為控制變因，為固定值不變，其中昇降角頻率為配合史徹赫數為0.1時而設定，對應之角頻率為0.49 rad/s；拖曳運動的行進速度為配合雷諾數為8000而設定，其對應之行進速度為5 cm/s ；而擺尾角頻率為以史徹赫數0.1為基底，每0.05作一次觀察，直到史徹赫數至0.45，這其中包括了水中生物最佳效率之史徹赫數範圍。 將實驗數據利用PTV(Particle Tracking Velocity)粒子軌跡測速法做分析，實驗結果發現，當史徹赫數在0.2~0.35之間(即一般生物最佳巡弋效率下)，流場渦流結構不僅完整且集中，渦度值也夠強，所產生的噴流速度及方向，相對於其他史徹赫數亦是最佳；另外當相位角相差180度時，由於昇降與擺動的相對運動，更加強其渦度值，且渦流結構更集中，比較不會散溢，噴流速度亦是最大。The experiment based on NACA0012 flexible airfoil was to explore the periodical heave, pitch and steady towing velocity in a free surface container of still water. The behavior of flow field and the vortices behind the Trailing edge were observed by CCD synchronized with heave. 　　The heave angular frequency was adjusted to St = 0.1 (ω1 = 0.49 rad/s), and the towing velocity was adjusted to Re = 8000 (U = 5cm/s). The pitch angular frequency was investigated in 0.05 increments (Max. 0.45). The experiment data was analyzed by PTV (Particle Tracking Velocimetry). According to the results, the phenomena of strong and concentrated vortices and the perfect jet between optimal St (0.2~0.35) were found. The opposite motion between heave and pitch (phase angle equals to 1800) strengthened the vorticity and concentrated the structure.目錄 口試委員會審定書．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I 誌謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ 中文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅲ 英文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅳ 目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅴ 圖目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅸ 表目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ⅩⅢ 符號說明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ⅩⅣ 第一章 導論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 　1.1研究背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 　1.2文獻回顧．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.3研究動機．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 1.4全文概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 第二章 實驗設備與實驗步驟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 　2.1實驗設備．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.1.1 實驗水槽．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.1.2 拖曳平台．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.1.3 可撓性翼擺動、昇降機構及CCD昇降機構．．．．．．．．．．7 2.1.4 可撓性翼模型及材料．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.1.5 橡膠硬度計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.2 雷射設備、切頁法及使用顯影顆粒．．．．．．．．．．．．．．．9 2.2.1 雷射光源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.2.2 雷射使用法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.2.3 顯影顆粒．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 　2.3 實驗步驟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 2.3.1 校準．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 2.3.2 流場環境紀錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 2.3.3 運動與CCD控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 第三章 實驗參數、運動控制與運動曲線．．．．．．．．．．．．．．13 　3.1雷諾數與史徹赫數之定義 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 3.1.1 雷諾數之定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 3.1.2 史徹赫數之定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 　3.2運動控制設定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 3.2.1 直線拖曳．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 3.2.2 昇降往復簡諧運動．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 3.2.3 CCD昇降往復簡諧運動．．．．．．．．．．．．．．．．．14 3.2.4 可撓性翼擺動往復簡諧運動．．．．．．．．．．．．．．．15 　3.3 運動曲線．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 3.3.1 相位角0度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 16 3.3.2 相位角180度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 第四章 粒子影像測速法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 　4.1 影像擷取．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 4.2 顆粒的辨識．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 4.3 Voronoi Imaging Method．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 4.4 Particles Tracking Velocimetry,PTV．．．．．．．．．．．．．20 4.5 Voronoi Pattern Tracking Algorithm．．．．．．．．．．．．．21 第五章 實驗結果與討論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.1 雷諾數及史徹赫數．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.1.1雷諾數．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.1.2 史徹赫數．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 5.2 前緣渦變化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 5.2.1 相位角為00．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 5.2.2 相位角為1800．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 5.3 史徹赫數與反馮卡門渦旋場．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 5.3.1 相位角為00．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 5.3.2 相位角為1800．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 5.4 升、推力來源-噴流(jet)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 5.4.1 相位角為00．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 5.4.2相位角為1800．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 5.5 可撓性翼變形量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31 第六章 結論與未來展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33 6.1 結論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33 6-2 未來展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34 參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 參考網站．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．39   圖目錄 圖1-1，鮪游式代表魚類-鮪魚．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 圖1-2，鱒游式代表魚類-虹鱒．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41 圖1-3，鰻游式代表魚類-鰻魚．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42 圖1-4，尾鰭如何製造正、負渦流，並利用其形成一強力噴流．．．．．．43 圖1-5，魚類利用前方渦流以提供推力．．．．．．．．．．．．．．．．44 圖1-6，德瑞普公司之機械魚．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．45 圖1-7，機械蝠鲼魚．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46 圖1-8，機械海豚．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47 圖1-9，機械魟魚-水之械．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48 圖1-10，推力係數相對於史徹赫數與最大攻角關係．．．．．．．．．．．49 圖1-11，推力效率相對於史徹赫數及最大攻角關係．．．．．．．．．．．50 圖1-12，推力效率與推力係數比較圖．．．．．．．．．．．．．．．．．51 圖1-13，彈性係數與可撓性翼硬度關係．．．．．．．．．．．．．．．．52 圖1-14，NACA0014可撓性翼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．53 圖1-15，正弦波下，A60與剛性翼之推力效率比較．．．．．．．．．．．54 圖1-16，餘弦波下，A60與剛性翼之推力效率比較．．．．．．．．．．．55 圖1-17，正弦波下，A60與剛性翼之推力係數比較．．．．．．．．．．．56 圖1-18，餘弦波下，A60與剛性翼推力係數比較．．．．．．．．．．．．57 圖2-1，水槽及平台側視圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．58 圖2-2，水槽及平台正視圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．59 圖2-3，水槽及平台3D立體圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．60 圖2-4，昇降機構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61 圖2-5，扇形齒輪．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62 圖2-6，三相交流馬達．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63 圖2-7，可撓性翼模具．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．64 圖2-8，液態翻模矽膠．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．65 圖2-9，Shore A25可撓性翼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．66 圖2-10，標準型橡膠硬度計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．67 圖2-11，圓柱試棒．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．68 圖2-12，氬離子雷射光源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．69 圖2-13，二極體雷射．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．70 圖2-14，側向切頁鏡組．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．71 圖2-15，垂直切頁鏡組．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．72 圖3-1，一般生物史徹赫數範圍表．．．．．．．．．．．．．．．．．．73 圖3-2，攻腳與擺動角、昇降腳之關係．．．．．．．．．．．．．．．．74 圖3-3，魚類尾鰭運動攻角變化，相位角為90度．．．．．．．．．．．．75 圖3-4，相位角0度下，各個運動曲線在不同史徹赫數(0.1至0.45)之變化與比較．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．76 圖3-5，相位角0度下，攻角、擺動角、昇降角在不同史徹赫數(0.1至0.45)之變化比較．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．77 圖3-6，相位角180度下，各個運動曲線在不同史徹赫數(0.1至0.45)之變化與比較．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．78 圖3-7，相位角180度下，攻角、擺動角、昇降角在不同史徹赫數(0.1至0.45)之變化比較．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．79 圖4-1，確認顆粒中心位置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．80 圖4-2，以細胞觀念分割出的多邊形Voronoi diagram．．．．．．．．81 圖4-3，Voronoi cell與星狀結構．．．．．．．．．．．．．．．．．．82 圖4-4，用PTV法決定最可能路徑軌跡．．．．．．．．．．．．．．．．83 圖5-1，相位差0度 St=0.1流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．84 圖5-2，相位差0度 St=0.15流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．85 圖5-3，相位差0度 St=0.2流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．86 圖5-4，相位差0度 St=0.25流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．87 圖5-5，相位差0度 St=0.3流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．88 圖5-6，相位差0度 St=0.35流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．89 圖5-7，相位差0度 St=0.4流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．90 圖5-8，相位差0度 St=0.45流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．91 圖5-9，相位差180度 St=0.1流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．92 圖5-10，相位差180度 St=0.15流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．93 圖5-11，相位差180度 St=0.2流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．94 圖5-12，相位差180度 St=0.25流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．95 圖5-13，相位差180度 St=0.3流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．96 圖5-14，相位差180度 St=0.35流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．97 圖5-15，相位差180度 St=0.4流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．98 圖5-16，相位差180度 St=0.45流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．99 圖5-17，各種史徹赫數下之流場行為．．．．．．．．．．．．．．．．．100 圖5-18，利用白腹鯖所做的PIV分析．．．．．．．．．．．．．．．．．101 圖5-19 ，由可撓性及剛性翼翼尖位置計算變形量．．．．．．．．．．．．102 圖5-20，相位角0度，史徹赫數1之擺動運動曲線．．．．．．．．．．．103 圖5-21，剛性翼、可撓性翼與變形量之疊加圖．．．．．．．．．．．．．104 圖5-22，相位差0度 St=1流場圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．105 圖5-23，真實影像上陰影處造成之誤差量．．．．．．．．．．．．．．．106 圖6-1，加入偏移角之後的升、推力係數分布圖，θm為偏移角．．．．．．107   表目錄 表3-1，本實驗中ω2與St之設定值．．．．．．．．．．．．．．．．．10811779871 bytesapplication/pdfen-US仿生可撓性翼史徹赫數NACA0012flexible airfoilBiomimeticthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62348/1/ntu-96-R94543064-1.pdf