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研究生： 湯發民
Tang, Fa-Ming
論文名稱： 一圓盤飄落之流場與其周圍壓力震盪之研究
Analysis of flow field and Pressure fluctuation for a falling disk.
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： 2019
畢業學年度： 107
語文別： 中文
論文頁數： 83
中文關鍵詞： 六自由度 、重疊網格 、快速複利葉轉換 、動態網格 、DNS 、自由落體 、三維不可壓縮奈維爾-史托克方程式
外文關鍵詞： Computation Fluid dynamics, six-degree of freedom, overset mesh, Direct Numerical Simulation
相關次數： 點閱：93  下載：28 
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    • 本研究旨在以計算流體力學模擬一剛體圓盤在特定之無因次參數下模擬自由落體的六自由度運動行為與流場分析，並取周圍流場監測點之壓力，觀察其振盪情形並分析其週期性與運動行為關係。
    流場計算使用商業計算流體力學軟體Ansys Fluent，用二階準確度直接求解三維非穩態不可壓縮奈維爾-史托克方程式。網格用Ansys ICEM 做為網格劃分之工具，分別產生圓盤周圍之結構性主網格與運動場域之結構動態網格，在分別匯入Ansys Fluent中做重疊網格的處理。
    在物理模型上以穩態與非穩態的中低雷諾數自由流流經一固定圓盤，分析其所受之升阻力與流場做為靜態上的驗證；動態上模擬一顆圓球墜落於不同密度與黏滯係數之流體，與文獻比對其位移時間圖與速度對時間圖做為動態上的驗證。
    本研究探討的無因次物理參數有無因次轉動慣量、阿基米德數及平均雷諾數，在三組不同的物理參數下，圓盤分別以固定週期與位移來回擺盪的簡協飄移(fluttering)、不停的項同一水平方向做翻滾(tumbling)與繞一軸心做打轉的螺旋(spiral)的運動行態飄落。本研究觀察其在三種不同運動行態下的運動與受力情形，並取樣周圍流場若干點作為壓力監測點，以快速傅立葉轉換分析壓力震盪頻率。

    The vortex structure, pressure fluctuation, and three kinds of behavior of motion for a free falling disk are simulated in this study. The three kinds of behaviors of motion are fluttering, tumbling, and spiral. There are three dimensionless parameters are chosen to produce the kinds of behavior of motion, which are dimensionless moment of inertia I^*, Archimedes Number Ar, and Reynolds Number Re, will determine the behavior of motion in this study
    For each case, we analysis the periodicities about the disk’s motions, the forces acted on the disk, and the pressure fluctuation monitored at some points in the middle field. By analyzing the FFT spectrogram, the results show that vertical disk motion has same period as the pressure fluctuation. We also found that the vortex dominates the pressure distribution in the flow field as well as on the disk.

    摘要 I 誌謝 IV 符號說明 IX 第一章 緒論 1 1-1. 內容大綱 1 1-2 研究目的與動機 2 1-3文獻回顧 3 第二章 統御方程式與數值方法 5 2-1 無因次化物裡參數 5 2-2 統御方程式 6 2-3 六自由度求解 7 2-4 壓力之頻譜 8 2-5 網格生成與重疊網格 9 第三章 物理模行驗證與網格獨立性分析 11 3-1 低雷諾數均勻流流經零攻角之三維圓盤 11 3-2 於雷諾數500下流經40度攻角之三維圓盤 12 3-3 圓球掉落之動態驗證 13 3-4 穩態低雷諾數網格獨立性分析 14 3-5 動態之網格獨立性分析 15 第四章 結果與討論 16 4-1簡協飄移(Fluttering) 16 4-1-1 運動情形與壓力震盪週期分析 17 4-1-2 流場分析 18 4-2 翻滾(Tumbling) 19 4-2-1運動情形與壓力震盪分析 20 4-2-2 流場分析 21 4-3 螺旋(Spiral) 22 4-3-1運動情形與壓力震盪分析 23 4-3-2 流場分析 24 第五章 結論與建議 26 5-1結論 26 5-2 未來工作與建議 28 參考文獻 29 表[1]升阻力與文獻[6]比對表 32 表[2]粗、中、細網格設定 32 表[3]各飄落行為相對應的無因次參數 32 圖[2-1]ϕ、θ、ψ所代表之相對應角度 33 圖[2-2](a)重疊處理前 (b)重疊處理後 33 圖[3-1]驗證3-1之圓柱流場 34 圖[3-2]3-1網格切面1 34 圖[3-3] 3-1網格切面2 35 圖[3-4]左右分別為雷諾數10、100，上排圖片為模擬之渦流剖面圖，中排為流線圖，與下排文獻[4]的圖片比對流場現象。 35 圖[3-5]雷諾數為10之渦流 36 圖[3-6]雷諾數140時之渦流情形，上為模擬結果，下為文獻[4]結果 36 圖[3-7]雷諾數180時之渦流情形，上為模擬結果，下為文獻[4]結果 37 圖[3-8](a)雷諾數300時(b)雷諾數2250之渦流 37 圖[3-9]阻力係數比較圖 38 圖[3-10]2-1-2計算之圓柱流場場域 38 圖[3-11]3-2網格切面1 39 圖[3-12]上圖為文獻[4]渦流結構，下圖為本研究模擬比對圖 39 圖[3-13]壓力係數與文獻[6]比對 40 圖[3-14]3-3計算域圖 40 圖[3-15]重疊後的網格剖面 41 圖[3-16]動力黏度為0.212 kg/m‧s時的位置與時間圖 41 圖[3-17]動力黏度為0.212 kg/m‧s時的速度與時間圖 42 圖[3-18]動力黏度為0.113 kg/m‧s時的位置與時間圖 42 圖[3-19]動力黏度為0.113 kg/m‧s時的速度與時間圖 43 圖[3-21] 3-5計算域示圖 44 圖[3-22] X與Y平面上軌跡圖 44 圖[3-23]定向角ψ對時間變化圖 45 圖[4-1]X-Y平面運動軌跡 45 圖[4-2]每25時間步所記錄之圓盤圖 46 圖[4-3]4-1計算場域 ，l2、l3、b2、b3、r2、r3為欲觀察之監測點 46 圖[4-4]定向角ψ定義示圖 47 圖[4-5] ψ與速度隨時間變化圖 47 圖[4-7] ψ、X方向受力與速度時間變化圖 48 圖[4-8] ψ、Y方向受力與速度時間變化圖 48 圖[4-9]X方向受力與Z方向力矩隨時間變化圖 49 圖[4-10]速度與受力頻譜圖 49 圖[4-11]b2點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 50 圖[4-12]監測點l2壓力與圓盤受力隨時間變化圖 50 圖[4-13]r2點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 51 圖[4-14] b3點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 51 圖[4-15]l3點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 52 圖[4-16]r3點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 52 圖[4-17]b2、l2、r2與受力頻譜比對圖 53 圖[4-18] b3、l3、r3與受力頻譜比對圖 53 圖[4-19]路徑上脫離之渦流與壓力分佈(XY視角) 54 圖[4-20] 路徑上脫離之渦流與壓力分佈(ZY視角) 54 圖[4-21]上為壓力分部，下為渦流結構 55 圖[4-22]上為壓力分部，下為渦流結構 55 圖[4-23] 上為壓力分部，下為渦流結構 56 圖[4-24] 上為壓力分部，下為渦流結構 56 圖[4-25]上為壓力分部，下為渦流結構 57 圖[4-26] 上為壓力分部，下為渦流結構 57 圖[4-27]上為壓力分部，下為渦流結構 58 圖[4-28]上為壓力分部，下為渦流結構 58 圖[4-29] 渦流表面流線與圓盤表面壓力圖 59 圖[4-30]翻滾於X-Y平面上軌跡圖 59 圖[4-31] 每25時間步所記錄之圓盤圖 60 圖[4-32]翻滾之運動場域，l1,f1,r1,l2,f2,r2為監測點 60 圖[4-33] ψ隨時間變化圖 61 圖[4-34]速度與受力隨時間變化圖 61 圖[4-35]X-Y方向受力頻譜圖 62 圖[4-36]X-Y方向受力與Z方向受力矩圖 62 圖[4-37] f1點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 63 圖[4-38] l1點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 63 圖[4-39] r1點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 64 圖[4-40] f2點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 64 圖[4-41] l2點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 65 圖[4-42] r2點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 65 圖[4-43] 監測點壓力f1、r1、l1與圓盤Y方向受力頻譜圖 66 圖[4-44] 監測點壓力f2、r2、l2與圓盤Y方向受力頻譜圖 66 圖[4-45]翻滾的路徑上所脫離之渦流與壓力分部圖 67 圖[4-46] 上為壓力分部，下為渦流結構 67 圖[4-47] 上為壓力分部，下為渦流結構 68 圖[4-48] 上為壓力分部，下為渦流結構 68 圖[4-49] 上為壓力分部，下為渦流結構 69 圖[4-50] 上為壓力分部，下為渦流結構 69 圖[4-51] 上為壓力分部，下為渦流結構 70 圖[4-52]圓盤渦流表面流線與圓盤表面壓力分佈圖1 70 圖[4-53] 渦流表面流線與圓盤表面壓力分佈圖2 71 圖[4-54]螺旋運動場域，其中l2、r2、l3、r3為壓力監測點 71 圖[4-55]Z-X平面軌跡圖 72 圖[4-55] X:Y:Z為2:1:2的每25時間步之三維視圖 72 圖[4-56]X與Z方向受力隨時間變化圖 73 圖[4-57]各轉角與隨時間變化圖 73 圖[4-58]角速度隨時間變化圖 74 圖[4-59]X、Z方向之轉速與受力頻譜比較圖 74 圖[4-60] Y方向之轉速與受力頻譜比較圖 75 圖[4-61]各方向受力與X、Z方向速度隨時間變化圖 75 圖[4-62] 各方向受力與Y方向速度隨時間變化圖 76 圖[4-63] l2點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 76 圖[4-64] r2點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 77 圖[4-65] l3點壓力與圓盤受力隨時間變化圖 77 圖[4-66] r3點壓力與受力隨時間變化圖 78 圖[4-67] 監測點壓力l2、r2與圓盤Y方向受力頻譜圖 78 圖[4-68] 監測點壓力l3、r3與圓盤Y方向受力頻譜圖 79 圖[4-69] 上為壓力分部，下為渦流結構 79 圖[4-70] 上為壓力分部，下為渦流結構 80 圖[4-71] 上為壓力分部，下為渦流結構 80 圖[4-72] 上為壓力分部，下為渦流結構 81 圖[4-73] 渦流表面流線與圓盤表面壓力圖 81 圖[4-74]渦流表面流線與圓盤表面壓力分佈圖 82 圖[4-75] 路徑上脫離之渦流 82 圖[4-76] 路徑上之壓力分佈情形 83

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