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DC 欄位 | 值 | 語言 |
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dc.contributor.advisor | 黃美嬌(Mei-Jiau Huang) | |
dc.contributor.author | Ya-Han Chang | en |
dc.contributor.author | 張雅涵 | zh_TW |
dc.date.accessioned | 2021-06-16T23:52:02Z | - |
dc.date.available | 2012-07-27 | |
dc.date.copyright | 2012-07-27 | |
dc.date.issued | 2012 | |
dc.date.submitted | 2012-07-20 | |
dc.identifier.citation | [1]C.R. Betts , R.J.Wootom.Wing Shape and Behavior In Butterflies: A Preliminary Analysis. J.Exp.Biol.138, 271-288, 1988.
[2]A.K.Brodsky .Vortex Formation in the Tethered Flight of the Peacock Butterfly Inachis io L. (Lepidoptera, Nymphalidae) and some Aspects of Insect Flight Evolution. J Exp Biol 161, 77-95,1991 [3]S. Sunada. Preformance of A Butterfly In Take-Off Flight. J.exp.Biol.183,249-277, 1993. [4]C.P. Ellington, C. Berg, A. P. Willmott and A. R. Thomas. Leading-Edge Vortices in Insect Flight. Nature 384, 626 – 630,1996 [5]H.Aono ,F.Liang and H. Liu. Near- and Far-Field Aerodynamics in Insect Hovering Flight: An Integrated Computational study. J. Exp Biol. 211, 239-257 , 2008 [6]H. Park ,K. Bae , B. Lee ,W.P. Jeon and H. Choi. Aerodynamic Performance of a Gliding Swallowtail Butterfly Wing Model. Exp Mechanics 50,1313-1321,2010. [7]B.H Lee. The Effects of Flapping-Wing Patterns and The Wing-Shape of Butterflies on Flight. M.S. Thesis, National Tsing Hua University, 2009. [8]H. Tanaka and I. Shimoyama. Forward Flight of Swallowtail Butterfly with Simple Flapping Motion Bioinspir. Biomim. 5 026003, 2010 [9]J-Y Su, S-C Ting, Y-H Chang, and J-T Yang. Aerodynamic trick for visual stabilization during downstroke in a hovering bird .Phys. Rev. E 84, 012901 ,2011 [10]C.R. Betts , R.J.Wootom.Wing Shape and Behavior In Butterflies: A Preliminary Analysis. J.exp.Biol.138, 271-288, 1988. [11]R. Dudley. Biomechanics of Flight In Neotropical Butterflies : Morphometrics Kinematics. J. exp. Biol.150 ,37-53, 1990. [12]R. I. Issa. Solution of Implicitly Discretized Fluid Flow Equations by Operator Splitting. J. Comput. Phys., 62:40–65, 1986. [13]A. K.Saha. Far-wake characteristics of two-dimensional flow past a normal flat plate. Phys. Fluids 19, 128110 ,2007. [14]F. M. Najjar and S. P. Vanka. Simulations of the unsteady separated flow past a normal flat plate, Int. J. Numer. Methods Fluids 21, 525 ,1995. [15]D. S. Joshi, Numerical studies of the wake of a plate normal to a free stream, Ph.D. Thesis, University of Illinois at Urbana-Champaign, 1993. [16] E. Guilmineau and P. Queutey. A numerical simulation of vortex shedding from an oscillating circular cylinder, Journal of Fluids and Structures 16,773–794, 2002. [17]X.-Y. Lu & C.Dalton, Calculation of the timing of vortex formation from an oscillating cylinder. Journal of Fluids and Structures 10, 527–541, 1996. [18] J. Tang, D Viieru, and W Shyy. Effects of Reynolds Number and Flapping Kinematics on Hovering Aerodynamics, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 8 - 11 , 2007 | |
dc.identifier.uri | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/65584 | - |
dc.description.abstract | 因應用途及任務的需要,無人飛行器(UAVs)的尺寸正往逐漸縮小的方向發展。隨著飛行器尺寸的縮小其翅膀的展弦比也隨之變小,若繼續沿用傳統UAVs所使用的固定翼來產生氣動力,將不足以支撐飛行器的重量。在自然界中,昆蟲的翅膀具有低展弦比卻能在空中自在飛行,其生理特徵、運動模式等等,都是開發微型飛行器(MAVs)者可以師法的對象。本研究選定燕尾蝶為研究對象,透過CFD商業軟體ANSYS Fluent探討燕尾蝶型翼在相同的飛行速度時,於不同拍撲頻率及不同攻角下之氣動力性質,並探討燕尾翼構造對於拍撲飛行流場之影響。此外,我們也設計一具相同展弦比之對稱長平板翼,將其氣動力特性與蝶型翼之氣動力特性進行比較,以進一步了解蝶型翼之優點。研究結果發現:燕尾蝶型翼以滑翔飛行時,其升力先隨著攻角上升逐漸增加,於攻角40度時有最大值,若攻角角度繼續增加則升力逐漸下降;而阻力則隨著攻角上升呈現單調漸增的趨勢;於攻角10度時有最大的升阻比。於拍撲飛行時,一週期內之平均升力、阻力及升阻比隨攻角變化的趨勢與滑翔飛行時雷同,惟其值隨拍撲頻率的增加而增大;比較蝶型翼與對稱長平板翼流場之俯仰力矩,發現因為燕尾蝶型具有前掠型的翼前緣,於下拍行程時,作用於翅膀的流場可對身體幾何中心產生一有助於提升攻角之力矩,可能導致升力及阻力的增加;反之,於上拍行程時,攻角角度受到反向力矩作用於身體之結果而降低,升力及阻力也因而減少。此力矩影響攻角大小的現象與前人的實驗觀察有相似之處。透過三維流線分布圖,發現燕尾翼於高頻拍撲飛行之下拍行程中,無論為高攻角或低攻角飛行,於燕尾處會形成較結實的流場結構,推測應有助於流場的穩定。 | zh_TW |
dc.description.abstract | Corresponding to the requirements of applications and tasks, the size of the unmanned aerial vehicles (UAVs) is tending smaller and smaller. Following the size reduce, the aspect ratio of the UAV wings reduces as well. Consequently, the common fixed-wings are no longer capable of providing enough aerodynamic forces against the gravity. In the nature, insects’ wings have low aspect ratios, but they fly freely in the air. Their physical characteristics and movement patterns must have implications which are useful for developing micro UAVs. This study aimed at the flow fields induced by a swallowtail butterfly in use of the software “ANSYS Fluent.” Parameters such as the flapping frequency, the angle of attack, the wing shape, and the swallowtail effect were explored. The simulation results show: when a swallowtail butterfly-type wing is in gliding, its lift force increases with the angle of attack first but decreases later, peaking at an angle of 40˚. On the other hand, the drag force increases monotonically. Consequently, the lift-drag ratio has its maximum value when the angle of attack is 10˚. The flapping flight has similar variation trends in the average lift force, drag force and the lift-drag ratio to the gliding flight but the magnitudes increase with the flapping frequency. Furthermore, unlike the long flat-panel wing, the butterfly-type wing can seemingly produce a positive pitch moment to rotate its body and consequently increase the angle of attack during the downstroke motion by taking advantage of its forward-swept leading edge. A negative pitch moment is generated during the upstroke motion the other way round. Similar observation had been reported in the literature. Through the 3D-streamline visualizations, it was also found that the swallowtail can help building some solid flow structures in the neighborhood during the downstroke motion when the flapping frequency is high, regardless of the angle of attack. It is believed that these structures are related to the flow field stability. | en |
dc.description.provenance | Made available in DSpace on 2021-06-16T23:52:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ntu-101-R99522109-1.pdf: 7868152 bytes, checksum: 6ac39747673442445dbc68cfd9f6116c (MD5) Previous issue date: 2012 | en |
dc.description.tableofcontents | 目 錄
口試委員會審定書 # 誌謝 i 中文摘要 ii 英文摘要 iii 目錄 v 表目錄 vii 圖目錄 viii 第一章 前言 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的 7 1.3 論文架構 7 第二章 物理模型與數值方法 9 2.1 統御方程式 9 2.2 邊界條件 10 2.3 蝴蝶拍撲模型幾何尺寸 11 2.3.1 燕尾蝶型翼 12 2.3.2 無燕尾蝶型翼 12 2.3.3 對稱長平板翼 12 2.4 運動模式及參數定義 13 2.5 計算區域與網格設置 15 2.6 動態網格系統 15 2.7 數值方法與計算流程 16 第三章 測試與驗證 17 3.1 垂直平板流 17 3.2 Re=100攻角30度之平板流 19 3.3 Re=185二維震盪圓柱流 20 3.4 Normal hovering mode之模擬 22 3.5 三維蝶型平板流場 24 3.6 三維蝴蝶拍撲流場 25 第四章 結果與討論 27 4.1 單純拍撲運動與飛行拍撲運動之差異探討 27 4.2 有無燕尾的蝶型翼之拍撲飛行差異探討 29 4.3 不同幾何形狀翼型對氣動力之影響 30 4.4 拍撲飛行之空氣動力學探討 32 4.4.1 相同拍撲頻率下,不同攻角之氣動力變化 33 4.4.2 拍撲頻率對氣動力之影響 34 第五章 結論與未來展望 37 參考文獻 38 表目錄 表2.1 不同翼型的幾何尺寸及各項參數. 40 表2.2 本研究中蝴蝶的運動參數與質量 40 表3.1 Re=100垂直平板流之 、CL,r.m.s及St 比較表. 40 表3.2 Re=100之垂直平板流網格測試結果 40 表3.3 Re=100,攻角30˚平板流之 及 比較表. 41 表3.4 Re=185二維圓柱流之 、CL,r.m.s及St比較表. 41 表3.5 攻角10˚及30˚蝶型平板流升、阻力係數模擬值與實驗值比較表. 41 表3.6 攻角10˚及30˚,蝶型平板煙線圖與流線圖之分離角及再接觸點位置比較表. 41 圖目錄 圖2.1 本研究所探討的蝴蝶品種Graphium policenes 42 圖2.2 H.Park et al. [6]文章裡的Graphium policenes蝴蝶外型 42 圖2.3 依H.Park et al. [6]文章裡的蝴蝶輪廓加以改良而成的三維蝴蝶模型及各部位尺寸示意圖(上圖為俯視圖、下圖為側視圖) 43 圖2.4 本研究蝴蝶模型的身體部位示意圖 43 圖2.5 蝴蝶翅膀與胸部示意圖(左圖為俯視圖、右圖為前視圖),黃色直線(俯視圖)及實心圓形(前視圖)代表翅膀與身體的連接處, 為下拍行程的起始位置、 為上拍行程的起始位置 44 圖2.6 無燕尾蝶型翼及各部位尺寸示意圖(上圖為俯視圖、下圖為側視圖) 44 圖2.7 對稱長平板翼及各部位尺寸示意圖(上圖為俯視圖、下圖為側視圖) 45 圖2.8 本研究的蝴蝶模型與拍撲角度 與攻角 示意圖 45 圖2.9 C.R. Betts et al. [10] 的研究採用的Troides rhadamantus蝴蝶翅膀輪廓外型 46 圖2.10 蝴蝶質量與拍撲頻率的關係圖 46 圖2.11 計算區域與蝴蝶模型位置關係示意圖 47 圖2.12 計算區域與網格設置示意圖 47 圖2.13 本研究的數值計算流程 48 圖3.1 垂直平板流之計算區域與邊界條件示意圖。圖中長方形平板高度a為 1單位長,其高寬比a:b為8:1 48 圖3.2 垂直平板流結構性網格示意圖 48 圖3.3 垂直平板周圍結構(左圖)及非結構(右圖)網格分布圖 49 圖3.4 Re=100垂直平板流之升阻力係數隨時間變化圖,圖中紅色線與黑色線分別為升力及阻力係數,實線與點虛線分別為結構性網格與非結構性網格之模擬結果 49 圖3.5 Re=100垂直平板流於無因次時間T=250時的渦度場 50 圖3.6 攻角30˚平板流之計算區域與邊界條件示意圖。圖中平板長a , 寬b = a 50 圖3.7 攻角30˚平板流網格分布圖與平板週圍網格放大圖:(a)、(c)結構性網格、(b)、(d)非結構性網格 51 圖3.8 Re=100,攻角30˚平板流之升阻力係數隨時間變化圖,圖中實線與點虛線分別為結構性網格與非結構性網格之模擬結果 51 圖3.9 Re=100攻角30˚平板流於無因次時間T=10時的渦度場,(a)結構性網格、(b)非結構性網格 52 圖3.10 Re=100攻角30˚平板流於無因次時間T=200時的渦度場,(a)結構性網格、(b)非結構性網格 52 圖3.11 二維圓柱流所使用之計算區域與邊界條件 53 圖3.12 二維圓柱流所使用之網格圖 53 圖3.13 Re=185二維靜止圓柱流之升阻力係數隨時間變化圖 54 圖3.14 Re=185二維圓柱流於無因次時間T=250時的渦度場 54 圖3.15 模擬震盪圓柱流場之網格圖,使用部分動態網格,令紅色線內之網格與圓柱同步震盪 55 圖3.16 Re=185,頻率比 =1.1時升阻力係數隨時間變化圖,圖中黑色線與紅色線分別為升力及阻力係數隨時間變化之曲線 55 圖3.17 Re=185,頻率比 =0.9時升阻力係數隨時間變化圖,圖中黑色線與紅色線分別為升力及阻力係數隨時間變化之曲線 56 圖3.18 normal hovering mode橢圓形機翼一周期內運動狀態示意圖 56 圖3.19 (a) normal hovering mode計算區域與網格圖、(b) 橢圓周圍網格分布圖 57 圖3.20 升力比較圖及(1)~(4)各時間下渦度圖。升力圖中,紅色代表邊界條件為 =0、藍色代表邊界條件為pressure-outlet、黑色代表Shyy et. al[18]的計算結果 58 圖3.21 T=4.25時(a)速度量值、(b)渦度量值及 (c)流線分布圖。其中左側為邊界條件為 =0 ,右側為邊界條件pressure-outlet 59 圖3.22 蝶形平板之計算區域與邊界條件示意圖 60 圖3.23 攻角10˚ 時,升、阻力係數與實驗值比較圖,圖中實線為模擬值、虛線為實驗值 60 圖3.24 攻角30˚時, 升、阻力係數與實驗值比較圖,圖中實線為模擬值、虛線為實驗值 61 圖3.25 攻角(a)10˚、(b)30˚截面煙線圖及流場特徵示意圖及 (c)紅色虛線標示煙線所取截面位置 61 圖3.26 攻角10˚時,不同時間下之流線及壓力(顏色)分布圖 62 圖3.27 攻角30˚時,不同時間下之流線及壓力(顏色)分布圖 63 圖3.28 、拍撲頻率 、飛行速度 為 之蝴蝶拍撲飛行流場其 、 及 隨時間變化圖 64 圖3.29 、拍撲頻率 、飛行速度 為 之前六拍撲週期 、 及 比較圖,(a)為 、(b)為 、(c)為 65 圖3.30 、拍撲頻率 、飛行速度 為 之蝴蝶拍撲飛行流場其 、 及 隨時間變化圖 66 圖4.1 拍撲頻率為7Hz、攻角10o時,單純拍撲運動及飛行拍撲運動於第三拍撲週期之 、 及 之變化曲線。紅色線為單純拍撲運動、黑色線為飛行拍撲運動 67 圖4.2 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25時,翼上表面渦度等值面圖,等值面渦度值為50s-1。左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 67 圖4.3 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25之三維流線圖,流線顏色代表速度大小,左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 68 圖4.4 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25時翼上表面壓力等高線圖,左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 68 圖4.5 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25時翼下表面壓力等高線圖,左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 68 圖4.6 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.5時,翼上表面渦度等值面圖,等值面渦度值為50s-1。左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 69 圖4.7 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=3.0時,翼下表面渦度等值面圖,等值面渦度值為50s-1。左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 69 圖4.8 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.75時,翼下表面渦度等值面圖,等值面渦度值為50s-1。左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 69 圖4.9 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.75之三維流線圖,流線顏色代表速度大小,左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 70 圖4.10 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.75時翼下表面壓力等高線圖,左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 70 圖4.11 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.75時翼上表面壓力等高線圖,左圖為單純拍撲運動、右圖為飛行拍撲運動 70 圖4.12 拍撲頻率為7Hz、攻角10o時,燕尾翼翼型及無燕尾翼翼型於第三拍撲週期之 、 及 之變化曲線。黑色線為燕尾翼翼型、紅色線為無燕尾翼翼型 71 圖4.13 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25時,翼上表面渦度等值面圖,等值面渦度值為50s-1。左圖為燕尾翼翼型、右圖為無燕尾翼翼型 71 圖4.14 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25時翼上表面壓力等高線圖,左圖為燕尾翼翼型、右圖為無燕尾翼翼型 72 圖4.15 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25時翼下表面壓力等高線圖,左圖為燕尾翼翼型、右圖為無燕尾翼翼型 72 圖4.16 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25之三維流線圖,流線顏色代表速度大小,左圖為燕尾翼翼型、右圖為無燕尾翼翼型 72 圖4.17 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.75之三維流線圖,流線顏色代表速度大小,左圖為燕尾翼翼型、右圖為無燕尾翼翼型 73 圖4.18 拍撲頻率為7Hz、攻角40o於t/T=2.25之三維流線圖,流線顏色代表速度大小,左圖為燕尾翼翼型、右圖為無燕尾翼翼型 73 圖4.19 拍撲頻率為7Hz、攻角40o於t/T=2.75之三維流線圖,流線顏色代表速度大小,左圖為燕尾翼翼型、右圖為無燕尾翼翼型 73 圖4.20 拍撲頻率為3.5Hz、攻角40o於t/T=2.25之三維流線圖,流線顏色代表速度大小,左圖為燕尾翼翼型、右圖為無燕尾翼翼型 74 圖4.21 拍撲頻率為3.5Hz、攻角40o於t/T=2.75之三維流線圖,流線顏色代表速度大小,左圖為燕尾翼翼型、右圖為無燕尾翼翼型 74 圖4.22 撲頻率為7Hz、攻角10o時,對稱常平板翼與蝶型翼於第三拍撲週期之 、 及 之變化曲線。黑色線為蝶型翼、紅色線為對稱長平板翼 75 圖4.23 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25時,對稱長平板翼上表面壓力等高線圖,左圖為翼上表面、右圖為翼下表面 75 圖4.24 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.25時,蝶型翼上下表面壓力等高線圖,左圖為翼上表面、右圖為翼下表面 76 圖4.25 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.75時,對稱長平板翼上表面壓力等高線圖,左圖為翼上表面、右圖為翼下表面 76 圖4.26 拍撲頻率為7Hz、攻角10o於t/T=2.75時,蝶型翼上下表面壓力等高線圖,左圖為翼上表面、右圖為翼下表面 76 圖4.27 拍撲頻率為7Hz、攻角60o時,對稱常平板翼與蝶型翼於第三拍撲週期之 、 及 之變化曲線。黑色線為蝶型翼、紅色線為對稱長平板翼 77 圖4.28 拍撲頻率為14Hz,攻角0~60o於第三拍撲週期之 、 及 之變化曲線,(a)為 、(b)為 、(c)為 78 圖4.29 拍撲頻率為7Hz,攻角0~60o於第三拍撲週期之 、 及 之變化曲線,(a)為 、(b)為 、(c)為 79 圖4.30 拍撲頻率為3.5Hz,攻角0~60o於第三拍撲週期之 、 及 之變化曲線,(a)為 、(b)為 、(c)為 80 圖4.31 拍撲頻率為1.75Hz,攻角0~60o於第三拍撲週期之 、 及 之變化曲線,(a)為 、(b)為 、(c)為 81 圖4.32 攻角0~60o,以飛行速度0.648m/s滑翔飛行, 及 隨時間變化曲線。,(a)為 、(b)為 82 圖4.33 不同 值下於攻角0~60o, 、 、 及升阻比之折線圖,(a)為 、(b)為 、(c)為 、(d)為升阻比 83 圖4.34 以飛行速度0.648m/s滑翔飛行,攻角0~60o於T=80之螺旋度等值面圖,等值面螺旋度值為1.6m•s-2,(a)~(g)分別為0o~60o 84 圖4.35 攻角0 ~ 60o以飛行速度 0.648 m/s滑翔飛行,於T = 80翼上、下表面壓力等高線圖,左圖為翼上表面、右圖為翼下表面,(a) ~ (g)分別為0o ~ 60o 85 圖4.36 不同 值,於攻角40o、t/T=2.75時翼上、下表面壓力等高線圖,左圖為翼上表面、右圖為翼下表面,(a) 、(b) 、(c) 、(d) 、(e) 86 圖4.37 不同 值,於攻角40o、t/T=2.75時翼上、下表面渦度等值面圖,等值面渦度值為1%最大渦度值,左圖為翼上表面、右圖為翼下表面,(a) 、(b) 、(c) 、(d) 、(e) 87 | |
dc.language.iso | zh-TW | |
dc.title | 蝶型拍撲翼之氣動力研究 | zh_TW |
dc.title | A Study of The Aerodynamics of Butterfly-type Flapping Wing | en |
dc.type | Thesis | |
dc.date.schoolyear | 100-2 | |
dc.description.degree | 碩士 | |
dc.contributor.oralexamcommittee | 牛仰堯(Yang-Yao Niu),楊鏡堂(Jing-Tang Yang),戴昌賢(Chang-Hsien Tai) | |
dc.subject.keyword | 燕尾蝶,拍撲飛行,展弦比,微型飛行器, | zh_TW |
dc.subject.keyword | Swallowtail butterfly,Flapping flight,Aspect ratio,Micro aerial vehicles, | en |
dc.relation.page | 87 | |
dc.rights.note | 有償授權 | |
dc.date.accepted | 2012-07-20 | |
dc.contributor.author-college | 工學院 | zh_TW |
dc.contributor.author-dept | 機械工程學研究所 | zh_TW |
顯示於系所單位: | 機械工程學系 |
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