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研究生:莊敏卉
研究生(外文):Min-Huei Chuang
論文名稱:計算流體力學分析薄膜材料形變導致場響應之研究
論文名稱(外文):Computational Fluid Dynamics Analysis of Phenomena of Flow Field Effecting by Deformation of Membrane Materials
指導教授:郭俊賢郭俊賢引用關係
指導教授(外文):Chun-Hsien Kuo
口試委員:王曉剛艾和昌
口試委員(外文):Siao-Kang WangHer-Chang Ay
口試日期:2014-07-28
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:模具工程系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:76
中文關鍵詞:薄膜變形空氣動力分析計算流體力學動態網格
外文關鍵詞:membrane deformationaerodynamics analysiscomputational fluid dynamicdynamic mesh
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本研究利用計算流體力學分析不同角度的二維薄膜形變後之空氣動力現象,並觀察其對空氣流場的影響。研究中以計算流體力學前處理器建立薄膜模型與流場的網格系統,再利用計算流體力學進行求解分析。其中的薄膜部分,假設該模型受到均勻空氣外力的負載導致變形,在此簡化薄膜變形的節點位移,並以使用者自訂函數撰寫匯入軟體中,搭配動態網格之節點更新功能定義薄膜邊界的形變。在進行本研究分析之前,先以自訂的數值模型與求解方法進行二維方柱與矩形柱的模擬,並以現有文獻結果做比對後,本研究自訂的相關參數得到驗證。從分析的結果可發現,垂直薄膜模型平均所求得的風阻係數為0度、30度與60度模型之間最大的。此外,薄膜於不同的流場風速下,其所求的的風阻係數結果趨勢皆相同,不同角度薄膜模型在進行邊界位移變形的瞬間,風阻係數皆產生一明顯變化,之後再趨近於平緩的值,且應用流場風速愈高可求得較少的風阻係數。而從流場流線圖中可得知,60度與90度的薄膜模型於動態形變下容易產生渦旋,且因渦漩帶動流體回流而導致施加壓力於薄膜邊界上,進而變為一種推力,使得風阻係數於某幾個薄膜變形的瞬間呈現負值的現象。此外,從模擬結果發現,模型邊界的形變會使流場附近的渦旋加速聚集,因此在未來薄膜的工程應用上更需考慮相關位置的強度設計。最後,希冀本研究之數值模型與邊界動態變形等設定與流場之分析結果,提供給未來相關研究之參考方向與提升應用之可能性。
This research is using the computational fluid dynamic (CFD) method to analyze the aerodynamics of the 2D membranes in different angles of deformation, then observe the effects of air flow field by the deformation. This research using CFD preprocessing software to build grid system for the membranes, then analyze the solution by CFD. Assume that the membrane models load under uniform air and lead to deformation, for that to simplify to the node displacement of the deformation on the membranes models, and writing a User-Defined Function and import to the analysis software, then with dynamic mesh function to define the deformation of the membrane models boundary. Before the analysis, go through the analyze of 2D square columns and rectangular columns to verify model parameters and numerical methods.. From the result shows the largest drag coefficient for the membranes is membrane models in 90゚among other models in 0゚, 30゚and 60゚. Besides, the membrane models in different flow field have the similar trend of drag coefficient. The drag coefficient is significantly changed when the moment of all the deformation of boundary displacement in different angles of membranes and follows with the gradual value. Furthermore, the higher wind speed of flow field, the less drag coefficient can be obtained. The result of streamline flow shows the membranes of deformation in 60゚and 90゚is easy to produce vortex, then that vortex also causing pressure on membrane boundary and lead to the drag coefficient be negative value. Additional, the result shows when the deformation of models boundary that might lead to the vortex nearby aggregation quickly, so it is necessary to consider the strength of the design of the membrane on engineering applications in the future. Finally, hope that the analysis of this study will give a contribution to membrane materials design in the future, and to increase the possibility of application.
目錄
摘 要 ii
ABSTRACT iii
致謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 11
1.1前言 11
1.2文獻回顧 13
1.3研究動機與目的 17
1.4論文結構 18
第二章 流場理論模式與數值方法 20
2.1流體與其運動之基本特性 20
2.1.1牛頓流體與非牛頓流體 20
2.1.2可壓縮流與不可壓縮流 20
2.1.3穩態與暫態 21
2.1.4層流與紊流 21
2.2統御方程式 22
2.2.1質量守恆方程式(mass conservation equation) 22
2.2.2動量守恆方程式(momentum conservation equation) 22
2.2.3能量守恆方程式(energy conseravation equation) 23
2.3紊流物理模型模擬方法 23
2.3.1直接數值模擬法 23
2.3.2非直接數值模擬法 23
2.4 CFD求解數值計算方法 25
2.4.1離散化方法 25
2.4.2疊代求解方法 26
2.5網格節點系統 27
2.5.1結構化網格 27
2.5.2非結構化網格 27
2.5.3動態網格 28
第三章 數值模型與分析方法 30
3.1幾何模型設定 30
3.2流場與邊界條件 31
3.3網格建立 33
3.4數值計算流程與方法 34
3.5方柱與矩形柱數值計算方法驗證 36
3.6網格獨立性 40
3.7薄膜邊界網格形變設定 42
第四章 結果與討論 44
4.1不同風速下數值結果 44
4.1.1水平薄膜 45
4.1.2 30度薄膜 53
4.1.3 60度薄膜 55
4.1.4 垂直薄膜 57
4.2風阻係數討論 59
4.2.1 水平薄膜 59
4.2.2 30度薄膜 63
4.2.3 60度薄膜 65
4.2.4 垂直薄膜 67
第五章 結論與未來展望 69
5.1結論 69
5.2未來展望 70
參考文獻 71
附錄 72

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