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 mostra sviluppi di modelli teorico/computazionali per l'analisi idrodinamica ed il design preliminare di sistemi propulsivi ad ala rotante usati in campo navale e/o aeronautico. La ricerca di configurazioni propulsive ad elevata efficienza rappresenta uno degli obiettivi maggiormente perseguiti; la riduzione dei costi di funzionamento e delle emissioni inquinanti del veicolo spingono i progettisti verso soluzioni tecnicamente complesse; in conseguenza cresce la richiesta di strumenti numerici capaci di simulare accuratamente i fenomeni fisici in modo veloce. Infatti, le soluzioni e gli accorgimenti trovati nelle prime fasi del progetto risultano spesso di cruciale importanza per l'esito finale. Gli strumenti fino ad oggi utilizzati sono spesso basati su modelli semplificati semi empirici. In virtù delle considerazioni esposte, il presente lavoro ha come obiettivo lo sviluppo di uno strumento numerico veloce ed automatizzato per la progettazione di sistemi propulsivi ad ala rotante. In particolare sono stati curati lo sviluppo di: tecniche di generazione automatica di configurazioni geometriche diverse; modelli per l'analisi aero/idrodinamica basata su metodologia BEM, agli elementi di controllo; tecniche di sintesi di superfici di risposta di sistemi complessi basate su modelli di rete neurale di tipo feed-forward addestrata mediante tecniche di back propagation dell'errore; interfacce con un algoritmo genetico per l'individuazione veloce della soluzione. La procedura sviluppata si articola in: definizione dei vincoli del problema, delle variabili di progetto e della funzione obiettivo; definizione dei limiti di variazione dei parametri geometrici di progetto; definizione e costruzione di una famiglia virtuale di eliche; valutazione delle prestazioni mediante modello per l'analisi aero/idrodinamica; sintesi della superficie di risposta mediante modello di rete neurale e sua esplorazione mediante l'algoritmo genetico. Il caso di un'elica convenzionale isolata o intubata, investita da una corrente uniforme è stato preso in esame, con l'efficienza idrodinamica posta come funzione obiettivo. I singoli strumenti sono stati validati preventivamente; quello per l'analisi idrodinamica mediante confronti con dati disponibili sperimentalmente e in letteratura; l'errore commesso dal modello di rete neurale in punti diversi dai punti di addestramento; la soluzione ottenuta mediante l'algoritmo genetico è stato posto a confronto con quella ottenuta variando sistematicamente le variabili di progetto.Il caso finale riguarda la ridefinizione dell'apparato propulsivo di un peschereccio esistente datato, con ricerca della soluzione all'interno delle classi di eliche isolate ed intubate, con vincoli sulla potenza erogata dal motore ad un dato regime di funzionamento, sulla velocità minima richiesta e sul rischio massimo di cavitazione sulle pale. La soluzine è stata ottenuta massimizzando la spinta offerta dall'elica e, accoppiandola con la curva di resistenza della carena, la velocità di funzionamento. Un guadagno finale dell'ordine del 3-5% dell'efficienza iniziale è stato raggiunto e le soluzioni trovate sono state analizzate in dettaglio focalizzando l'attenzione su grandezze locali (pressione sulle pale). In conclusione una metodologia di design ed i singoli strumenti utilizzati sono stati sviluppati e validati, mentre un'applicazione semplificata è stata presa a riferimento per la valutazione dei risultati.