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研究生: 陳昀嵩
Chen, Yun-Sung
論文名稱: 雙髻鯊特殊頭部流場之模擬
A Simulation Research of the Flow Field of the Head of Hammerhead Shark
指導教授: 陳政宏
Chen, Jeng-Horng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 系統及船舶機電工程學系
Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 56
中文關鍵詞: 雙髻鯊計算流體力學流體力學翼面
外文關鍵詞: hammerhead shark, CFD, bfluid dynamics, foil
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  • 本研究以雙髻鯊(Sphyrna Lewis)為研究對象,雙髻鯊在水生動物中擁有十分特殊的頭部外型,分布於兩端的視覺與嗅覺器官及連接其中的翼狀結構,然而現行資料對於其構造運動性能與感測器官的交互影響並沒有太多著墨。故本研究之探討目的是模擬雙髻鯊頭部翼狀外型的流體動力學性能,進而產生相似的模擬翼面。建立雙髻鯊三維立體模型是使用SfM攝影測量建模方法建構,檔案匯入Rhino3D繪圖軟體修正後,使用Ansys FLUENT CFD軟體計算半邊雙髻鯊頭部及軀幹的流體力學性能。另將頭部翼面外型取三個斷面(Mid, Lead & Eye),利用AIRFOIL網站的翼型資料,各別針對其線型尋找相似形狀的線型,並使用生成模擬翼面及計算其運動性能,與計算獲得的數值比較後模擬翼面的結果與掃描模型數據並不一致,或許雙髻鯊頭部外型還有更多關鍵因素影響其運動性能。
    根據CFD計算結果發現,雙髻鯊的頭部翼面,隨著前進游泳速度的加速,升力由1.07N上升至3.15N。阻力數值卻從巡航速度時的2.99N上升到最高速度時為3.55N,但是在速度為1.2m/s時阻力值略有下降。翼面能夠在節省能量的情況下,延伸鼻部及眼睛的位置,增進立體視覺及加強嗅覺功能的同時幾乎對能量消耗達到最佳控制;隨著速度而增加的升力,對於分布於近海海域的雙髻鯊可以避免在追擊使用最高速度時,因翼面產生的下沉力而撞擊底部物體。
    鼻部附近流體運動狀況在模擬結果中,翼面導緣溝槽能夠匯集前方矩形流域內的液體進入鼻部附近,再經由小溝槽轉向進入鼻部。但本次模擬並沒有做出鼻部內流場,所以無法確切計算進出鼻部入流孔及出流孔的流速及流量。
    最後,關於雙髻鯊翼面外型的運動性能比較,在翼面軀幹接合處,前緣與主幹一起起伏的形狀與後緣翼面收縮接合的外型,良好改善控制接面渦流;眼段突起則是有些微的翼尖渦產生,且隨著遠離後緣,翼尖渦逐漸向中央身體側靠近,但在後緣17cm處渦度已迅速減弱。不論是背鰭或是胸鰭位置皆與翼尖渦有一段距離,對於全魚魚鰭角度與位置的互相渦流干涉的研究上或許可以忽略翼尖渦對於其餘身體魚鰭運動的影響。

    The hammerhead shark has an unique appearance in the ocean. The foil like head structure is known to enhance the visual and olfactory function. Although previous studies have analyzed the nasal region and the flow field of the head, this thesis use Structure from motion (SfM) to build the 3D model, and use the data on AIRFOIL website to fit the similar foil line to generate the similar foil surfaces. However, the similar foils do not have the same results as the scanned model and need to find other key point to simulate the head foil.

    The CFD data of the scanned model show that the lift force will increase by the increasing speed from 1.07 to 3.15N. The drag force will increase at the faster speed from 2.99 to 3.15N, but the drag force will decrease at speed=1.2m/s, which gives a special results that the hammerhead shark can save much more energy and let the visual and olfactory organ away from the body with the foil head. The nasal groove can converge the flow and the flow rate is 9.7ml/s in the CFD data.

    Finally, the head of the hammerhead shark has a triangle shape fin to control the junction vortex and the protruding eye structure to decrease the tip vortex which does not have interaction with the shark body and the fins.

    摘要 I Extend Abstract III 誌謝 VII 目錄 VIII 圖目錄 X 表目錄 XIII 符號說明 XIV 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 研究目的 4 第二章 研究方法 5 2-1 實驗對象及建模處理 5 2-1-1 實驗對象 5 2-1-2 拍攝建模 6 2-2 電腦模擬設定 11 2-2-1 網格建立 11 2-2-2 邊界條件 13 2-2-3 計算法 14 2-2-4 網格獨立性 15 2-3 翼狀外型研究 16 2-3-1 翼斷面線型比較 17 2-3-2 線型組合模仿雙髻鯊頭部翼型研究方法 19 第三章 結果與討論 21 3-1 雙髻鯊頭部翼狀外形研究 21 3-1-1 翼斷面線型研究 21 3-1-2 線型組合模仿雙髻鯊頭部翼型 24 3-2 雙髻鯊頭部之流體動力學 27 3-2-1 翼狀外形之性能 27 3-2-2 導緣溝槽功能及蒐集範圍 41 3-2-3 眼部突起對翼尖渦及接面渦之研究 43 第四章 結論 52 4-1 頭部特殊外型與生存 52 4-2 運動性能探討 52 4-3 對工程設計的啟示 53 4-4 未來展望及改進 53 參考文獻 55 附錄A 56

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    下載圖示 校內:2019-08-30公開
    校外:2019-08-30公開
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