人工智能在船海工程中的螺旋桨设计方法

在螺旋桨设计中，实现更高的效率是重要的目标之一，更高的效率意味着更低的燃料消耗和更低的排放水平，以符合环境污染法规。环境污染并不局限于空气微粒的排放，为了保护海洋野生动物，在辐射噪声和振动排放方面的要求更加严格，对于海军舰艇来说，低声学特征的无声推进器是基本要求。一些新的工具已经变得可以对螺旋桨设计方法产生重大影响，在实践中，这些新工具的效果往往还没有实现。部分原因是螺旋桨设计的方法过于遵循传统模式，没有从存在的机会中获利。另一方面，在新的设计方法被肯定之前，必须进行研究和验证，需要实验设计和计算上可行的与物理上相关的实验。

采用尖端加载的螺旋桨（contracted-loaded tip，CLT）可以一定程度上解决这些问题，CLT优于管道、串联或对旋螺旋桨。通过改变螺旋桨尖的扩展载荷分布可以提高效率。对CLT来说，端板充当垂直于叶片的附加箔片，即使朝向叶片压力侧，其工作原理也与飞机翼梢相似。类似的还有Kappel螺旋桨，“端板”有效地指向吸力侧（如飞机翼梢）而不是在尖端增加箔片，是螺旋桨叶片的连续部分，是整体设计的叶片和尖端本身。

在过去的几十年里，有三种新的工具重塑了设计技术的面貌。

第一个新的发展是CFD技术，CFD的发展越来越迅速，计算准确率也越来越高，比如虚拟拖曳水池项目现阶段已经基本可以替代常规的拖曳实验。CFD计算的一个主要障碍是空化问题，现有的RANS空化计算模型是单流体模型，其中流体的密度通过蒸汽的生成来调整。产生蒸汽源的强度取决于蒸汽压力和局部压力之间的压差，该源强度可以是经验性的，或者是经过复杂运算得到的，但它仍然是单流体模型。Hoekstra阐明了出现的问题，并得出结论，如果RANS模型模拟的结果是正确的，则必须对空化脱落的一些基本概念进行修正［96］。另一方面，如果这些空化脱落在物理上是正确的，那么单一流体方法的概念可能存在严重缺陷。到目前为止，这种困境很少引起人们的关注，如果找到正确使用的方法，CFD是螺旋桨设计的有力工具。

第二个发展是高速摄影机的可用性，在空化过程中观测一直是非常重要的。侵蚀风险的预测仍然完全依赖于观测，尽管在某些情况下油漆技术可以缓解这一问题。螺旋桨上的空泡通常用频闪照明来观察，然而空腔的内爆非常迅速，需要在稍微不同的叶片位置进行多次观测以获得空腔坍塌的映像。空化不是完全周期性的，空腔动力学理论很难预测到小的变化，这使得几乎不可能从一组随时间推移的观测来观察空腔动力。用高速相机的全尺度观测尾流也不够稳定，不能在短时间内进行适当的频闪观测，并且螺旋桨的流入变化很难被精确捕捉。高速相机的应用并不十分困难，因为相机正迅速变得更强大，尺寸变得更小。(www.xing528.com)

第三个新发展是粒子图像测速法（particle image velocimetry，PIV）[6]的可用性。这种技术使得在理想状态下能够以非侵入的方式瞬时测量整个测量平面内的速度场，这种技术的问题在于它的应用。3D PIV需要两个摄像头，相机和激光不应该干扰流动。在气蚀隧道中，可以通过将这些材料置于试验段之外来获得，但是在较大的气蚀隧道和拖曳水池中，却是不可能的。这导致了在流线型物体中设置有照相机和激光的试验装置，当观察到螺旋桨上的空化时，这些物体本身可能不应该空化。所以PIV的设置实验技巧很重要，像CFD一样，PIV的应用也需要对计算技术的全面理解才能够正确地评估误差。

螺旋桨设计者通常从给定的船体形式和所需的船速开始。螺旋桨设计的主要目标是最小功率（最佳效率）和正确的螺旋桨转速（发动机要求）。全尺寸有两个重要的边界条件：没有腐蚀损坏和没有振动损坏。

推进器效率的提高是船舶设计中的一个具有挑战性的问题，近些年来得到了广泛的关注。考虑到环境问题，比如燃料消耗和NOx排放，降低运营成本是设计师最迫切的需求之一。对现有船上安装新型螺旋桨是一个较为实际的想法，更换推进装置是权衡水动力效率和预算之间的最可行的解决方案之一。这样的设计更新策略（改装）在对于船东非常有利。在预设计阶段，快速准确的数值预报工具的有效性是实现有效推进系统优化策略的关键。事实上，在早期阶段得出的指导方针在经典设计螺旋步骤中可以实现更快和更有效的迭代过程。基于实验和半经验性能预测模型的方法虽然是比较古老的，但仍然大量使用的设计策略。

在过去的几十年中，已经提出了通过充分利用现有计算流体动力学模型来加强设计程序的若干尝试。而CFD模型是求解Navier-Stokes方程的初步设计的主要工具，由于计算工作量大，以及实际问题中应用的复杂性，现阶段无粘流方法应用更加广泛。升力线模型、升力面模型和面元法是最为成熟的计算法方法，Coney（1989）发展了一种基于一系列的升力线、升力面模型的逆设计方法［97］，用于在给定性能的情况下来确定螺旋桨几何形状。该技术被Stufffield（2008）改进，并用于设计多组元推进器［98］。Druckenbrod（2010）等人提出了一种改进的方法，该方法通过耦合RANSE求解器和流体动力学一阶面元法来分析多体配置推进器，应用基于遗传算法的优化器，通过设计变量控制叶片节距和弦分布，提出了一种直接设计方法。Mishima（1996）、Geisbert和Schroeder（2008）［99］通过应用回归模型来合成系统的响应面，提高了直接设计方法的计算效率。Deng（2005）将此技术应用于多体结构中非均匀起爆气流中的空化螺旋桨，计算中考虑了对发动机提供的动力、在给定船速下产生的推力和可接受的空化风险的约束。