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研究生： 蕭禮廣
Hsiao, Li-Kuang
論文名稱： 單旋翼落體掉落之運動行為與流場分析
Analysis of Motion Behavior and Flow Field for Falling Single-wing Body
指導教授： 林三益
Lin, San-Yih
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年： 2021
畢業學年度： 109
語文別： 中文
論文頁數： 120
中文關鍵詞： 計算流體力學 、單旋翼 、六自由度 、三維不可壓縮流納維爾—斯托克方程式 、SST k–ω紊流模型 、動態網格
外文關鍵詞： Single-wing, computational fluid dynamics, SST k–ω turbulence model, six-degree of freedom, dynamic mesh, Euler angle
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    • 本研究以計算流體力學模擬單旋翼探測器在不同旋翼長寬比與開闔探測鏡頭下模擬旋轉掉落的六自由度運動行為與流場分析，觀察不同氣動外型對於探測器穩定性及運動行為之關係。
    流場計算使用商用軟體Ansys Fluent進行單旋翼探測器掉落之數值模擬，使用二階精準度求解三維非穩態不可壓縮流納維爾—斯托克方程式，採用SST k–ω紊流模型。計算網格使用Fluent Meshing建製混和網格，建立非結構網格，在物體與流體接觸之壁面四周建立多面體網格，其餘流體區域建立六面體網格，產生單旋翼探測器之非結構動態網格。
    在文獻驗證上皆為動態之模擬，圓球掉落於不同密度與動力黏度之流體，與文獻比對其位移與時間之關係及速度與時間之關係；冰錐掉落為高空環境在有初始尤拉角及速度下掉落，與文獻比對其各方向之角度與時間之關係及各方向之受力與時間之關係。
    本研究探討在相同之慣性主軸與轉動慣量、初始速度與初始轉速下，在三種旋翼長寬比為1、1.5與2，及開啟探測鏡頭之尤拉角為30度，閉合探測鏡頭之尤拉角為35度，共有六種氣動外型作旋轉掉落，觀察六種氣動外型之速度、受力、轉速與尤拉角之情形，研究不同氣動外型對於掉落姿態與穩定性之影響。

    The flow fields and motion behavior of the falling single-wing body are simulated by computational fluid dynamics (CFD). The commercial software Ansys Fluent is used. The research applied shear stress transport (SST) k–ω turbulence model and six-degree of freedom. The dynamic meshes were generated by Fluent Meshing model with polyhedral and hexahedral meshes. Two tests, the falling ball under different density and viscosity and the falling ice cone in the high altitude sky are simulated and verified with known data. We investigate the fall behaviors with the blade aspect ratios and sensor open or closed under the same moment of inertia. The single-wing angle of attack is 5 degrees. Euler angle is 30 degrees when the sensor was closed and Euler angle is 35 degrees when the sensor was opened. The falling behaviors, flow fields, forces, Euler angle, and rotating speed are computed and analyzed in this study to understand the design of the single-wing falling body.

    目錄 摘要 I Extent Abstract II 致謝 V 目錄 VI 表目錄 IX 圖目錄 X 符號說明 XV 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 1 1-3 文獻回顧 2 第二章 數值方法 5 2-1 網格生成 5 2-2 統御方程式 6 2-3 紊流模型 6 2-3-1 RANS模型 7 2-3-2 SST k–ω模型 8 2-4 六自由度 11 2-5 大地座標至體座標轉換 12 2-6 數值方法 14 第三章 物理模型驗證 15 3-1 圓球掉落之驗證 15 3-1-1 圓球參數與模型建立 15 3-1-2 網格生成 15 3-1-3 初始條件、邊界條件與數值方法 15 3-1-4 驗證結果 16 3-2 冰錐掉落之驗證 17 3-2-1 冰錐參數與模型建立 17 3-2-2 網格生成 17 3-2-3 初始條件、邊界條件與數值方法 18 3-2-4 驗證結果 19 第四章 單旋翼探測器結果與討論 20 4-1 單旋翼探測器 20 4-1-1 單旋翼探測器設計理念 20 4-1-2 單旋翼探測器參數與模型建立 20 4-1-3 網格生成 21 4-1-4 初始條件、邊界條件與數值方法 21 4-1-5 後處理 22 4-2 單旋翼探測器結果與討論 23 4-2-1 單旋翼探測器旋翼長寬比1與開闔探測鏡頭之比較結論 23 4-2-2 單旋翼探測器旋翼長寬比1.5與開闔探測鏡頭之比較結論 25 4-2-3 單旋翼探測器旋翼長寬比2與開闔探測鏡頭之比較結論 28 4-2-4開啟探測鏡頭單旋翼探測器各旋翼長寬比之比較結論 30 4-2-5閉闔探測鏡頭單旋翼探測器各旋翼長寬比之比較結論 32 4.3動態網格之獨立性分析 33 第五章 結論與建議 35 5-1 結論 35 5-2 未來建議 37 參考文獻 38 表目錄 表[3-1] 圓球掉落環境 40 表[3-2] 冰錐掉落環境 40 表[4-1] 網格獨立性分析 40 圖目錄 圖[3-1] 圓球幾何 41 圖[3-2] 圓球流域 41 圖[3-3] 圓球網格圖 42 圖[3-4] 圓球邊界條件設定 42 圖[3-5] 動力黏度為0.212 kgm∙s之圓球速度與時間圖 43 圖[3-6] 動力黏度為0.212 kgm∙s之圓球位置與時間圖 43 圖[3-7] 動力黏度為0.113 kgm∙s之圓球速度與時間圖 44 圖[3-8] 動力黏度為0.113 kgm∙s之圓球位置與時間圖 44 圖[3-9] 冰錐幾何 45 圖[3-10] 冰錐流域 45 圖[3-11] 冰錐網格圖 46 圖[3-12] 冰錐邊界條件設定 46 圖[3-13] 冰錐掉落尤拉角隨時間變化圖 47 圖[3-14] 冰錐掉落受力隨時間變化圖 47 圖[4-1] 開啟鏡頭單旋翼探測器長寬比1之幾何外型 48 圖[4-2] 開啟鏡頭單旋翼探測器長寬比1.5之幾何外型 49 圖[4-3] 開啟鏡頭單旋翼探測器長寬比2之幾何外型 50 圖[4-4] 閉闔鏡頭單旋翼探測器長寬比1之幾何外型 51 圖[4-5] 閉闔鏡頭單旋翼探測器長寬比1.5之幾何外型 52 圖[4-6] 閉闔鏡頭單旋翼探測器長寬比2之幾何外型 53 圖[4-7] 單旋翼探測器之流域圖 54 圖[4-8] 單旋翼探測器之網格圖(總網格數約51萬) 55 圖[4-9] 開啟鏡頭探測器之尤拉角30度 56 圖[4-10] 閉闔鏡頭探測器之尤拉角35度 56 圖[4-11] 單旋翼探測器邊界條件設定 57 圖[4-12] 開啟鏡頭旋翼長寬比1之掉落姿態圖 57 圖[4-13] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1之掉落姿態圖 58 圖[4-14] 旋翼長寬比1之XY方向掉落軌跡圖 58 圖[4-15] 旋翼長寬比1之Z方向掉落軌跡圖 59 圖[4-16] 開啟鏡頭旋翼長寬比1之4至5秒掉落姿態圖 59 圖[4-17] 旋翼長寬比1之速度圖 61 圖[4-18] 旋翼長寬比1之受力圖 62 圖[4-19] 旋翼長寬比1之尤拉角圖 64 圖[4-20] 旋翼長寬比1之轉速圖 64 圖[4-21] 開啟鏡頭旋翼長寬比1之流線圖 65 圖[4-22] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1之流線圖 67 圖[4-23] 開啟鏡頭旋翼長寬比1之渦流圖 68 圖[4-24] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1之渦流圖 70 圖[4-25] 開啟鏡頭旋翼長寬比1.5之掉落姿態圖 71 圖[4-26] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1.5之掉落姿態圖 71 圖[4-27] 旋翼長寬比1.5之XY方向掉落軌跡圖 72 圖[4-28] 旋翼長寬比1.5之Z方向掉落軌跡圖 72 圖[4-29] 開啟鏡頭旋翼長寬比1.5之7至8秒掉落姿態圖 73 圖[4-30] 旋翼長寬比1.5之速度圖 74 圖[4-31] 旋翼長寬比1.5之受力圖 76 圖[4-32] 旋翼長寬比1.5之角度圖 77 圖[4-33]旋翼長寬比1.5之轉速圖 78 圖[4-34] 開啟鏡頭旋翼長寬比1.5之流線圖 79 圖[4-35] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1.5之流線圖 81 圖[4-36] 開啟鏡頭旋翼長寬比1.5之渦流圖 83 圖[4-37] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1.5之渦流圖 85 圖[4-38] 開啟鏡頭旋翼長寬比2之掉落姿態圖 85 圖[4-39] 閉闔鏡頭旋翼長寬比2之掉落姿態圖 86 圖[4-40] 旋翼長寬比2之XY方向掉落軌跡圖 86 圖[4-41] 旋翼長寬比2之Z方向掉落軌跡圖 87 圖[4-42] 旋翼長寬比2之速度圖 88 圖[4-43] 旋翼長寬比2之受力圖 90 圖[4-44] 旋翼長寬比2之角度圖 91 圖[4-45] 旋翼長寬比2之轉速圖 92 圖[4-46] 開啟鏡頭旋翼長寬比2之流線圖 94 圖[4-47] 閉闔鏡頭旋翼長寬比2之流線圖 96 圖[4-48] 開啟鏡頭旋翼長寬比2之渦流圖 98 圖[4-49] 閉闔鏡頭旋翼長寬比2之渦流圖 100 圖[4-50] 開啟鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之XY方向掉落軌跡圖 100 圖[4-51] 開啟旋翼長寬比1、1.5與2之Z方向掉落軌跡圖 101 圖[4-52] 開啟鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之速度圖 102 圖[4-53] 開啟鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之受力圖 104 圖[4-54] 開啟鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之角度圖 105 圖[4-55] 開啟鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之轉速圖 106 圖[4-56] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之XY方向掉落軌跡圖 106 圖[4-57] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之Z方向掉落軌跡圖 107 圖[4-58] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之速度圖 108 圖[4-59] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之受力圖 110 圖[4-60] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之角度圖 111 圖[4-61] 閉闔鏡頭旋翼長寬比1、1.5與2之轉速圖 112 圖[4-62] 單旋翼探測器網格獨立性之網格圖 113 圖[4-63] 單旋翼探測器網格獨立性之XY方向掉落軌跡圖 114 圖[4-64] 單旋翼探測器網格獨立性之Z方向掉落軌跡圖 114 圖[4-65] 單旋翼探測器網格獨立性之速度圖 116 圖[4-66] 單旋翼探測器網格獨立性之受力圖 117

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    下載圖示
    2026-01-01公開
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