[[alternative]]2D quasi-steady flow around a flapping wing and its bubble-film flow visualization

碩士[[abstract]]本研究提出以10cm拍翼機進行二維準定常流模擬分析以及以立體攝影術擷取移動邊界。軌跡擷取使用SURFER和GAMBIT將立體攝影的三維軌跡擷取出二維的1/4翼展並生成網格。在Fluent中進行流場模擬，其中準定常CFD模擬在Fluent中被視為二維移動邊界。流場設定上，上風速度在拍翼流場中也得到新的考量。最後計算含有時變的二維流場與對應的升力係數。從拍翼頻率40Hz下一週期之升力係數呈現出與風洞數據及PVDF現地量測數據相似之結果。 本研究開發並測試出一套新的方法，即是利用泡膜觀察拍翼流場。此研究是基於泡膜干涉之概念，其中不同厚度的泡膜將呈現出不同色彩。10cm翼展拍翼機在泡膜中作動，並且以一台彩色CCD捕捉泡膜色彩變化圖案。將影像送入MATLAB來生成每個像素的RGB值，並且對應標準泡膜厚度色卡之厚度。MATLAB求解器也被用來求解Poisson方程的Neumann邊界條件問題，最終獲得了速度勢與拍翼流場的流線圖。[[abstract]]This thesis presents a 2D quasi-steady flow simulation of a 10 cm wingspan flapping wing with given moving boundary fed from stereo-photography measurement. This trajectory work used the softwares Surfer and Gambit to slice a 2D quarter-span cross section from the 3D trajectory by stereo photography. It’s then regarded as a 2D moving boundary for the quasi-steady CFD simulation by ANSYS/Fluent. The upwind direction changing of the flapping flow field has also been novelly considered herein. The computed time-varying outputs include the 2D flow fields and the corresponding lift coefficient. The one cycle history of lift coefficient subjected to 40 Hz flapping shows the qualitative similarity to the corresponding wind tunnel data and PVDF on-site measurement data. A novel method utilizing bubble film to observe the flapping flow field has been also developed and tested in this thesis. This work is based on the concept of thin film interference where bubble film of different thickness exhibits different chromatic appearance. Herein, the bubble film was subjected to the flow field of a 10 cm wingspan flapping wing, and a color CCD camera was used to capture the chromatic patterns on the bubble film. The captured photograph was fed into MATLAB to generate RGB values per pixel and corresponding thickness values based on the standard color card for bubble thickness. The commercial finite difference solver in MATLAB was also used to solve the Neumann boundary value problem of Poisson equation to obtain the velocity potential field and the corresponding stream line pattern of the flapping flow field. Some technical difficulties were addressed finally.[[tableofcontents]]目錄 第一章 緒論 1 1-1 研究背景與目的 1 1-2 文獻回顧 5 1-3 論文架構 9 第二章 流場特性 12 2-1 卡門渦街 12 2-2 空氣動力中心 13 2-3 雷諾數 14 第三章 升力量測實驗 17 3-1 實驗設備 17 3-2 力規實驗架設 23 3-3 升力結果 24 第四章 拍翼軌跡流場模擬分析 31 4-1 實驗設備與資料處理軟體 31 4-2 拍翼軌跡擷取 36 4-3 拍翼流場模擬分析 44 4-4 CFD升力係數擷取 48 第五章 泡膜二維顯像實驗 49 5-1 實驗設備 49 5-2 泡膜影像擷取實驗 52 5-3 泡膜色彩場轉換厚度場 56 5-4 厚度場轉換二維流場之分析 57 第六章 PVDF升力量測實驗 68 6-1 實驗設備 68 6-2 實驗架設 73 6-3 升力壓電訊號 74 第七章 實驗結果與比對 76 7-1 煙線流場分析 vs. 泡膜流場分析 76 7-2 力規量測之升力 vs. CFD流場模擬之升力 79 7-3 力規量測之升力 vs. 壓電薄膜擷取之升力訊號 80 7-4 CFD流場模擬之升力vs. 壓電薄膜擷取之升力訊號 81 第八章 結論與未來展望 83 8-1 結論 83 8-2 未來展望 86 參考文獻 89 附錄A 96 圖目錄 圖1-1 渦度等高線示意圖 6 圖1-2 DARPA團隊設計之蜂鳥 7 圖1-3 拍翼模型示意圖 8 圖1-4 渦流矢量圖 8 圖1-5 von Karman第一個假設之對稱渦流 8 圖1-6 實驗架構圖 11 圖2-1 圓柱繞流，非定常流場之卡門渦街 12 圖2-2 泡膜流場 13 圖2-3 翼型參數示意圖 14 圖2-4 本研究拍翼之空氣動力中心線 14 圖3-1 小型吸入式風洞 18 圖3-2 PR8363型電源供應器 18 圖3-3 六軸力規 19 圖3-4 訊號放大器 19 圖3-5 訊號擷取器 20 圖3-6 金探子機構設計圖 21 圖3-7 本研究使用之拍翼機桿件與齒輪 21 圖3-8 本研究使用之拍翼機機座 21 圖3-9 微飛行器示意圖：(a)機構組裝圖；(b)Solidworks示意圖。 22 圖3-10 拍翼頻率擷取之架構 22 圖3-11 升力量測用之風洞 24 圖3-12 20°攻角下，對應不同電壓之升力隨風速變化 25 圖3-13 20°攻角下，對應不同電壓之推力隨風速變化 25 圖3-14 30°攻角下，對應不同電壓之升力隨風速變化 26 圖3-15 30°攻角下，對應不同電壓之推力隨風速變化 26 圖3-16 50°攻角下，對應不同電壓之升力隨風速變化 27 圖3-17 50°攻角下，對應不同電壓之推力隨風速變化 27 圖3-18 60°攻角下，對應不同電壓之升力隨風速變化 28 圖3-19 60°攻角下，對應不同電壓之推力隨風速變化 28 圖3-20 翼展10cm金探子升力訊號圖 30 圖3-21 翼展20cm金探子升力訊號圖 30 圖4-1 高速CCD：(a) Phantom V4.2；(b) Phantom M310。 32 圖4-2 Hub連接器 32 圖4-3 Kwon3D軟體 33 圖4-4 Kwon3D拍攝示意圖 33 圖4-5 不同方位之高速攝影機軌跡擷取 34 圖4-6 Surfer地質模擬軟體 34 圖4-7 Gambit操作介面 35 圖4-8 數值分析軟體FLUENT 36 圖4-9 立體軌跡擷取實驗示意圖 37 圖4-10 座標校正用框架 37 圖4-11 翼膜標誌點 37 圖4-12 立體軌跡擷取實驗架設圖 38 圖4-13 空間定位之誤差值 39 圖4-14 標誌點之建立：(a)座標校正；(b)量測拍翼上標誌點。 39 圖4-15 翼前緣之軌跡 40 圖4-16 Kwon3D取點完成圖 40 圖4-17 SURFER處理：(a)原始數據之內插分佈；(b)刪除翼膜邊界外之數據。 40 圖4-18翼面等高線圖，驅動電壓3.7V風速1m/s；(a)-(d)為下行程；(e)-(h)為上行程。 41 圖4-19 SURFER輸出拍翼軌跡座標：(a)翼面立體軌跡座標； (b)四分之一翼展中線之軌跡座標。 42 圖4-20 二維拍翼流場邊界 43 圖4-21 建立拍翼流場網格 43 圖4-22 拍翼中線軌跡；(a)下行程拍翼；(b)上行程拍翼。 44 圖4-23 翼前緣風速計算 44 圖4-24 金探子上行程軌跡：(a)2012年；(b)2013年 45 圖4-25 金探子下行程軌跡：(a)2012年；(b)2013年 45 圖4-26 金探子速度場模擬：(a)2012年；(b)2013年 46 圖4-27 攻角20°風速1m/s速度場變化圖，(a)-(c)為拍翼上行程； (d)-(f)為拍翼下行程 47 圖4-28 本研究風速3m/s之金探子升力模擬數值 48 圖4-29 風速3m/s之金探子升力模擬數值 48 圖5-1 泡膜材料 50 圖5-2 Phantom M310型號參數 51 圖5-3 MATLAB程式介面 51 圖5-4 泡膜擷取實驗架設圖 52 圖5-5 Case1泡膜顯像 53 圖5-6 框架(單位：mm) 54 圖5-7 Case2泡膜顯像 55 圖5-8 泡膜「色彩-厚度」比對卡 57 圖5-9 液膜流網；實線為等勢線；虛線為流線。 60 圖5-10 Poisson方程式求解流程圖 61 圖5-11 Case1速度勢圖(迭代次數10000次；殘差值10-6) 62 圖5-12 Case2速度勢圖(迭代次數10000次；殘差值10-6) 63 圖5-13 Case1流線圖(迭代次數10000次；殘差值10-6) 64 圖5-14 Case2流線圖(迭代次數10000次；殘差值10-6) 65 圖5-15 Case1渦街位置示意圖 66 圖5-16 Case2渦街位置示意圖 67 圖6-1 壓電薄膜 70 圖6-2 3M導電銅箔膠帶 72 圖6-3 PVDF黏貼示意圖 73 圖6-4 PVDF實驗架設圖 73 圖6-5 PVDF一週期壓電訊號 74 圖6-6 本研究PVDF之升力連續週期 75 圖6-7 “Two Dimensional Mechanism for Insect Hovering”升力結果 75 圖7-1 煙線流場；(a)~(c)為下行程拍翼；(d)~(f)為上行程拍翼 77 圖7-2 10cm翼展 79 圖7-3 10cm翼展微型金探子CFD模擬升力圖 79 圖7-4 10cm微型金探子之壓電薄膜訊號圖 81 圖7-5 10cm微型金探子之升力訊號 81 圖7-6 CFD流場模擬之升力圖 82 圖7-7 PVDF擷取之電訊號圖 82 圖8-1 高速CCD之泡膜影像 88 表目錄 表3-1 拍翼頻率表(10cm翼展之微型金探子) 23 表6-1 壓電薄膜材料性質表 69 表6-1 金屬導電率表 71 表7-1 泡膜顯像vs.煙線實驗 78[[note]]學號: 601370363, 學年度: 102[[notice]]補正完