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(论文全文范本)可挠拍翼之三维轨迹与二维流场探索

,

台湾淡江大学机械与机电工程学系

摘 要

本研究透过MEMS制程技术与表面黏贴技术结合LED,以及夜光漆涂布使翼膜挠动显像,再以运动分析软体结合影像处理,撷取其翼膜挠动的轨迹座标,搭配结合於计算流体力学,进行二维拍翼流场的模拟分析.以Kwon3D撷取翼膜挠动轨迹座标,并利用光学式动作捕捉设备,经KwonCC数位化比例尺,计算出误差值为0.19cm.本研究再以Kwon3D分析拍翼式微飞行器之标志点运动轨迹,撷取计算出三种不同角度之标志点座标位置.再以Matlab及Surfer软体同时模拟完整翼面,比较翼面之变化及撷取中线轨迹座标,最後利用Gambit建模读入Fluent,进行拍翼式微飞行器拍翼中线在定常流场状态下之CFD模拟,分析实际拍翼轨迹的流场与升,阻力分析,并与实际风洞数据做比较,结果显示模拟计算出之数据与实际数据相似,可初步将流场显像.

关键字:拍翼轨迹,Kwon3D,三维轨迹,二维流场

The3Dtrajectoryofaflexibleflappingwingandits2Dflowfieldinvestigation

Mechanical&,ElectromechanicalEngineering,TamkangUniversity,Taiwan

E-mail:xxxxxx@xxx.

Abstract

Thisstudy,throughMEMSprocessestechnologyandSurfaceMountTechnology(SMT),linksupwithLEDandwiththeluminouspaintmakingflexiblewingspandisplaytheimagethengetthetrajectorycoordinatesofitusingMotionAnalysissoftwareandimageprocessingtomatchthesimulatedanalysisof2Dflappingwingfluidwhileintergratingfluiddynamics.WhilegettingthetrajectorycoordinatesofthewingspanmovementusingKwon3Dandopticalcapturedevice,throughKwonCCdigitalscalewascalculatedamarginoferrorof0.19cm.ThisstudyfurtherputesthesignofpointcoordinatesinthreedifferentanglesbyanalyzingflappingMicroAerialVehiclesignspointtrajectorieswithKwon3D.UterlizingMatlabandSurfersoftwaretosimulatethepletewingsimultaneously,thisstudythenpareschangesofthewingandretrievesthemidlinetrajectorycoordinates,usingGambitbuildmodelingtoloadFluent,conductingCFDsimulationoftheflappingMAVwinginasteadyflowstate,analyzingthetheflowfieldandtheliftanddragofthewingtrajectory,andparingwiththeactualwindtunneldataintheend.Theresultsshowacertainsimilaritybetweenthecalculateddataandtheactualdata,andcanvisualizetheinitialflowfield.

Keywords:Trajectory,Kwon3D,3Dtrajectory,2Dflowfield

前言

拍翼式微飞行器的气动力来源是靠机翼上下行程的拍扑产生,如何产生最多的升推力即是关键所在.本研究团队目前成果已能使翼展20cm微飞行器持续飞行[1],由於计算流体力学应用在拍扑翼之研究是相当具有挑战而庞大的工程,本文为此规划一研究框架如图1所示[2].本研究将着重於风洞和可视化模拟的拍扑运动轨迹之分析比对,及初步拍翼机非定常流场之流体力学计算,以期望逐步将此研究框架完成.而图1最右下角称为"粒子显像测速术"为流场可视化技术之一,使用此技术仍可达到测定流场的目的,但PIV设施较为昂贵,故改用图1的间接研究方式,也兼具互相验证之效,希望未来也能观察飞行良好之人造拍翼机,发现隐藏其中之学理.表面力(surfaceforces)与间隙(criticalgaps)参酌表1.

本研究目标将针对图2翼展20cm之翼膜,以运动分析软体结合影像处理,撷取拍翼式微飞行器翼膜挠动轨迹进行二维可挠翼面模拟,利用Matlab软体及CFD软体[3]进行二维拍翼流场的翼面分析[4].透过MEMS制程技术,在拍翼机MAV翼膜制作可挠式导电线路,并结合表面黏贴技术(surfacemounttechnology,SMT)结合LED[5],使拍翼式MAV翼膜顺利在拍动时发光显像,以运动分析软体结合影像处理,撷取拍翼式微飞行器翼膜挠动的轨迹,提供仿真参数化虚拟模型,结合CFD计算流体力学之流场,并和风洞实际测试结果作比对,寻找瞬时升力及推力最佳化无因次参数,用於发展拍翼飞行器之改良.

实验翼膜之制程

2.1可挠性导电膜

本研究微飞行器使用的翼膜材料,本研究中所使用的拍翼式微飞行器之翼膜材料为PET,以此材料作为基材,分别进行两种翼膜之测试,首先透过蚀刻进行可挠性导电翼膜的制作,将导电金属铜(Cu)及钛(Ti),蒸镀於翼膜上,再利用蚀刻技术将不要的图形去除.由於翼膜高分子塑胶材料不耐高温,因此从镀parylene,黄光微影,蒸镀金属膜,LED表面贴附型元件(surfacemountdevice,SMD)黏贴,都需操作於低温情况下,parylene即利用镀膜机以化学气相沉积(CVD)之方式,於室温沉积parylene薄膜於基材表面,经黄光微影後以低速升温进行蒸镀(避免蒸镀温度上升),导电翼膜制作完成後,再由表面黏贴技术(surfacemounttechnology,SMT),将LEDSMD元件以异方性导电胶贴附,於室温下加压使异方性导电胶熟化,将LED贴於导电翼膜上,完成後的导电翼膜亦可再镀上一层parylene进行封装,使LED完全包覆於膜内.

2.夜光漆应用於可挠性翼膜

本研究主要以抓取拍翼式微飞行器之翼表面3D轨迹,进行拍翼流场分析与模拟为目标,除了先前几节以微机电系统技术制作可挠性导电翼膜外,也希望寻找较为节省时间与成本之材料制作翼膜标志点,直接应用於高速摄影之拍摄.

轨迹撷取实验

实验架设与流程

将两种实验用翼膜及两台高速摄影机,拍摄拍翼式微飞行器翼膜挠动的状态,两台高速摄影机拍摄帧数皆为1000Hz,再经由光学式捕捉设备撷取框架比例尺座标,最後透过Kwon3D内的KwonCC建立影像中数位化框架比例尺,分别点取比例尺的23个标志点,定义影片中空间实际距离,将三度空间进行座标化,得到位置参数与误差值,所测量之误差值为0.19cm,再以Kwon3D分析拍翼式微飞行器之标志点运动轨迹,撷取计算出三种不同角度标志点的轨迹座标位置,将XYZ座标点汇出Excel档,以Excel计算移动标准差,即可得到翼膜拍翼挠动的三维轨迹座标.

Kwon3D座标点撷取

本实验主要目的是将Kwon3D动作分析软体所撷取之数据进行模拟,先利所撷取数据内插并绘制成翼面,再将所分析出之翼面计算出剖面座标,观察1/4翼展剖面随时间变化下的改变,其後将剖面座标建模,再利用模拟程式分析其流场变化.由Kwon3D分析软体产生的数据分为两种,第一种为电压0.3V,第二种为电压3.7V,此两种数据分别纪录最低速与最高拍翼速度下翼膜挠动的情形,拍翼频率分别为1Hz与14Hz.

面数值模拟

MATLAB

此次分析分为两次进行,一次为使用可挠性LED导电膜,另一次则使用夜光漆标志点翼膜.可挠性LED导电膜分析之结果,可发现拍翼式微飞行器以电压0.3V低频飞行时,翼面挠动不大,翼膜表面较为平整

Surfer

由於Surfer软体并不能和Matlab一样可以绘制出数值动画,所以绘制出来的翼面等高线图只有各参数时间点的图片.本实验采用此软体的另一项目的,则是将翼面挠动时之1/4翼展剖面轨迹及座标撷取出来,在建立翼面等高线图後便可以进行1/4翼展剖面座标点取出的工作,先将等高线平面图绘出,之後将1/4翼展剖面线段绘出,并设立轨迹撷取范围.

本研究目前先尝试将各组线段数据读入Fluent中,利用较为简易的方式,单笔测试其二维定常流场之状态(steadystate)的速度场及压力场,再将完整资料数(0.3V为72组,3.7V为86组)所测试出来的压力场及速度场合并,便可观测其速度场及压力场之变化,进而了解拍翼机在不同电压下,拍动翅膀时空气中产生涡流对於拍翼机升力与阻力之影响.

结论

本研究目的是将已具飞行能力之20公分拍翼式微飞行器「金探子」为模型,找出其拍翼时翼膜挠动的实际3D变化轨迹,结合计算流体力学(putationalfluiddynamics,CFD),进行一周期的2D拍翼流场模拟分析.目前已可截取出近似原始拍翼式微飞行器之实际3D轨迹,1/4翼展剖面部份也已获得时间点之轨迹及座标,在压力场及速度场方面,已经由升力与实际风洞数据做比较,证实CFD模拟计算之数据与实际数据相似.


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志谢

感谢科技部对本研究经费支援,计画编号98-2221-E-032-025-MY3.

参考文献

[1]Li,C.W.,Benjamin,M.M.,andKorshin,G.V.,"UseofUVspectroscopytocharacterizethereactionbetweenNOMandfreechlorine,"EnvironmentalScienceandTechnology,Vol.34,No.12,pp.2570-2575(2000).(期刊格式)

[2]Benjamin,M.M.,WaterChemistry,1sted.,McGraw-Hill,NewYork,pp.121-122(2002).(书籍格式)

[3]Li,C.W.,Chiu,C.H.,Lee,Y.C.,Chang,C.H.,Lee,Y.H.,andChen,Y.M.,"Integrationofceramicmembraneandpressedair-assistedsolventextraction(CAXE)forCr(VI)recovery,"Proc.of2016IWANorthAmericanMembraneResearchConference,Amherst,U.S.A.,Aug.10-13,pp.101-108(2016).(会议格式)

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[4]Pollard,A.,FlowinTeeJunction,Ph.D.Dissertation,UniversityofLondon,London,U.K.(1978).(学位论文格式)

[5]Kareem,AandCheng,C.

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江南大学全日制艺术硕士

2016年艺术硕士,艺术硕士专业学位2016年

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