Sviluppo di un modello teorico e computazionale per l'analisi di propulsori e velivoli ad ala rotante basato su tecniche di sintesi di sistemi complessi mediante reti neurali

Abstract

Il presente lavoro si inserisce in un contesto di forte interesse della comunità scientifica areonautica e navale verso configurazioni propulsive ad alta efficienza e/o alte prestazioni. Infatti, esigenze legate alla necessità di ridurre i consumi e contenere le emissioni nocive stanno trainando negli ultimi anni la ricerca. Considerando il mezzo di trasporto in generale, i miglioramenti che possono essere potenzialmente ottenuti intervenendo sull’apparato propulsivo sono tra i più promettenti. Il modo con cui tali obiettivi possono essere perseguiti sono molteplici. Strumenti numerici sono continuamente sviluppati come supporto alla progettazione di tali propulsori ed i modelli teorici che sottendono tali strumenti sono sempre più complessi. La politica di utilizzare strumenti informatici a supporto di tale attività consente di impiegare calcolatori informatici sempre più elaborati e veloci. In virtù di ciò, l’impiego di strumenti matematici sempre più complessi permette di incrementare l’accuratezza dei risultati con minimo o nullo aggravio in termini di risorse. Sebbene questi strumenti siano sempre più accessibili, le tecniche standard sviluppate precedentemente in assenza di strumenti informatici di supporto sono tuttora impiegate in molti campi, sotto particolari condizioni. Nel settore navale, in particolare, l’adozione di tecniche rappresentative dello stato dell’arte in campo sperimentale e numerico può però essere disponibile solo per una limitata platea di industrie, le quali possono permettersi preventivi di spesa pressoché illimitati in virtù di un sicuro ritorno economico in un limitato tempo. D’altra parte, le piccole medie imprese armatoriali adottano per la progettazione degli apparati propulsivi tecniche standard ed, in alcuni casi, obsolete. Tali tecniche si basano su diagrammi sperimentali e su relazioni empiriche per il calcolo delle prestazioni del propulsore in esame. In conseguenza di ciò anche la capacità di investigazione della soluzione è limitata nella scelta del numero delle variabili di progetto: parametri globali caratterizzano le diverse configurazioni studiate, così come l’analisi viene condotta su grandezze globali e non direttamente relazionabili con fenomeni fisici locali. Nasce quindi l’esigenza di sviluppare uno strumento automatizzato e sufficientemente veloce ed accurato per la progettazione preliminare dell’elica di un propulsore o per ridisegnare la stessa nel caso di un’imbarcazione esistente. In questo contesto, il presente lavoro è volto a sviluppare tecniche per la progettazione di forma di propulsori destinati al campo areonautico/navale basati su configurazioni ad ala rotante. Nello specifico, l’obiettivo primario quello di realizzare uno strumento completamente automatizzato per la progettazione ottimizzata di forma di propulsori areonautici e navali, basato su modelli teorico/numerici veloci, robusti, ma anche sufficientemente accurati. La tecnica di design considerata nel presente lavoro definisce la configurazione ottimale propulsiva mediante una successione di fasi dedicate alla determinazione, rispettivamente, di parametri geometrico/operativi globali e locali del propulsore. Sebbene qui sia usata in singolo step, la tecnica, a rigore, viene risolta in modo iterativo. La ricerca della soluzione avviene mediante esplorazione della superficie di risposta del sistema, ovvero del luogo dei punti delle grandezze di interesse al variare dei parametri di progetto; le grandezze qui prese in esame sono le prestazioni del propulsore, la cui configurazione è univocamente definita dal valore assunto dalle variabili geometrico/operative globali e locali suddette. La separazione, in fasi distinte e successive per la determinazione di parametri globali e locali, permette di ridurre il numero di configurazioni per le quali calcolare le prestazioni con cui costruire la superficie di risposta del sistema. Inoltre, la ricerca della soluzione avviene esplorando detta superficie di risposta in modo veloce mediante l’uso di un apposito modello surrogato a quello per lo studio del sistema fisico, nell’intorno di una configurazione presa a riferimento. In particolare, il modello teorico che sottende lo strumento per l’analisi idrodinamica del propulsore si basa su una metodologia agli elementi di contorno, valida per lo studio del flusso intorno a corpi portanti rototraslanti ed estesa allo studio di propulsori in configurazione multicorpo (eliche in mantello, controrotanti, eliche in presenza di timone, eliche in tunnel). La tecnica di progettazione è di tipo ottimizzata, a partire da una configurazione base, intorno alla quale viene costruita la serie sistematica di propulsori. Il solutore aero/idrodinamico viene quindi applicato per la predizione delle prestazioni esercitate dalle eliche di detta serie sistematica; il luogo dei punti delle prestazioni in funzione dei parametri caratteristici della configurazione presa in esame forma la superficie di risposta del sistema. Per la sintesi della superficie di risposta del sistema è stata sviluppata una rete neurale di tipo feed-forward, addestrata mediante una tecnica di tipo back-propagation, mentre l’ottimizzazione è stata performata mediante l’utilizzo di un modello basato su algoritmi genetici e sulla ricerca della soluzione secondo una tecnica parametrica. Una schematica rappresentazione delle fasi descritte si trova in fig. 1. I singoli modelli teorico-numerici che compongono lo strumento di design vengono verificati e validati singolarmente. Diversi test-case a complessità variabile sono utlizzati come esercizi di design per la validazione della tecnica di design. Un’applicazione finale basata sulla progettazione, su base dati numerica, di un propulsore destinato ad equipaggiare un’imbarcazione di media stazza è considerata. Per essa vengono considerate investigate due tipologie di propulsore: ad elica isolata convenzionale e ad elica intubata. Infatti, le eliche intubate sono una delle tipologie propulsive più utilizzate in campo navale e la loro applicazione `e in continua espansione per le loro caratteristiche che le rendono soluzioni appetibili in vari campi; a titolo di esempio esse vengono utilizzate in configurazione di manovratori azimuthali (azimuth thrusters), di pompe a getto (pumpjets), oltre che di turbine ad asse orizzontale per lo sfruttamento dell’energia propria delle correnti marine (tidal turbines) ed eoliche (aerogeneratori). I risultati nelle varie configurazioni vengono confrontate rispetto al propulsore di riferimento. Nell’ambito della riprogettazione di sistemi propulsivi di imbarcazioni esistenti i margini di guadagno nominali sono, dai dati in letteratura disponibili, mediamente dell’ordine del 3-5%; per l’ottenimento di tale obiettivo gioca un ruolofondamentale non solo l’incremento delle prestazioni avendo fissando il punto di lavoro a quello del propulsore originale, ma anche la ridefinizione del punto di lavoro stesso. Non è infrequente trovare la situazione di un propulsore che sia sovra o sottodimensionato rispetto ad una qualche grandezza (tipicamente il passo): in tal modo le condizioni nominali di design non vengono rispettate durante l’esercizio reale del sistema. In tale lavoro viene quindi considerato il propulsore accoppiato ad una carena e ad un motore primo. Da un lato il motore mostra una curva di coppia disponibile al variare del regime di rotazione che deve necessariamente supplire alla coppia resistente offerta dall’elica; dall’altro, la carena non solo offre una resistenza variabile in funzione della velocità di avanzamento che deve essere uguagliata alla spinta offerta dal propulsore, ma è artefice anche della disuniformità di flusso incidente al propulsore stesso, in virtù dello strato limite rilasciato dalle sue pareti. In particolare, tale disuniformità del flusso incidente, interagisce con la rotazione dell’elica causando fluttuazioni nel campo di velocità e di pressione. Fenomeni quali quello della cavitazione e delle vibrazioni sono favoriti in tali condizioni: erosione e rumore sono diretta conseguenza. Se da un lato è auspicabile una progettazione del propulsore che tenga in considerazione l’accoppiamento propulsore-carena mediante un modello fedele alla realtà, dall’altro, lo studio in tale condizioni risulta essere oneroso computazionalmente. Nel presente lavoro, si considerano gli effetti della scia rilasciata dalla carena sottoforma di un parametro concentrato che indica sinteticamente il difetto di velocità incidente al propulsore rispetto alla velocità di avanzamento dell’imbarcazione. Si rimanda a sviluppi futuri l’implementazione di tecniche per portare in conto l’interazione propulsore-scia non uniforme limitando l’onere computazionale che tale scelta comporta. Il lavoro è articolato prevedendo una descrizione della tecnica di design sviluppata che si compone in due fasi distinte succcessive, rappresentate dal design di base e dal design di finitura (cap.2). Successivamente, la metodologia proposta e sviluppata per la sintesi di sistemi complessi viene presentata (cap.3), corredata di fasi di verifica e validazione dei risultati del modello di rete neurale considerato in questo ambito. Il modello teorico-numerico alla base del solutore aero/idrodinamico viene presentato ed esteso allo studio del flusso intorno a configurazioni del tipo rotori intubati (cap.4); nel corso del capitolo vengono mostrati i risultati della fase di validazione dello stesso modello. Lo strumento utile per il design automatizzato di propulsori ad ala rotante basato su detta metodologia viene applicato per dimostrarne la validità (cap.5) su differenti casi test documentati a complessità crescente. La parte finale del capitolo in esame è dedicata alla applicazione finale dello strumento sviluppato ed alla discussione dei diversi risultati ottenuti.