基于CFD-IBES耦合方法的多喷嘴旋转除锈喷头布局优化框架研究

为解决船舶除锈效率低、喷嘴布局依赖经验缺乏理论指导的问题，研究人员开展了基于计算流体力学(CFD)和改进秃鹰搜索算法(IBES)的多喷嘴旋转喷头优化研究。通过建立双目标优化模型，确定了攻击角θ=15°、靶距SOD =40d、转速1800-2100rpm等关键参数最优范围，实验验证优化后除锈效率提升22.8%，为船舶维修行业提供了量化设计框架。

　　

船舶长期在海水环境中航行，船体表面形成的锈层和海洋生物附着会严重影响航行安全与经济性。传统超高压水射流(UHP)除锈技术存在能量利用率低、喷嘴布局依赖经验等问题，特别是多喷嘴旋转喷头的空间排布缺乏量化理论指导。当前解决方案或通过增加泵压（导致能耗剧增），或添加辅助喷嘴（需设备改造），均非最优选择。

针对这一工程难题，国内研究人员在《Applied Ocean Research》发表研究，提出CFD-IBES耦合优化框架。通过计算流体力学(CFD)模拟确定喷嘴攻击角θ、靶距S_OD
/d和转速等参数对流体动力学性能的影响规律，结合改进秃鹰搜索算法(IBES)建立双目标优化模型，最终实现除锈效率22.8%的提升。

关键技术包括：1) 采用周期性边界条件的CFD模拟，建立包含喷嘴内腔和射流冲击区的计算域；2) 开发累积冲击时间模型，量化300个观测点的能量分布均匀性；3) 融合梯度提升优化(GBO)和精英反向学习(EOBL)策略改进IBES算法；4) 基于16喷嘴十字形旋转喷头开展实验验证。

【结构与工作原理】
旋转喷头由进水接口、旋转轴等6部分组成，直锥收敛喷嘴满足l₃
/d=2-3时流体性能最佳。通过斜向射流产生的反作用力驱动旋转，在靶面形成环形清洗轨迹。研究首次量化了有效冲击半径r_e
=2d的临界阈值。

【CFD模拟结果】
当θ=15°时壁面剪切应力峰值达1.2032MPa；S_OD
=40d时冲击压力衰减率仅8.5%；转速2100rpm时剪切应力最大(2.452MPa)。发现旋转会导致射流下游区能量损失，证实优化喷嘴空间排布的必要性。

【IBES算法改进】
在BES算法三阶段（选择空间/空间搜索/俯冲）中引入：1) EOBL策略提升种群多样性；2) GSR算子平衡全局探索与局部开发；3) LEO算子避免局部最优。基准函数测试显示，IBES在F₁
-F₈
函数中Avg和Std指标均优于BES、GA等算法。

【布局优化验证】
优化后喷嘴呈边缘加密分布，最大轨迹间隙从0.21mm降至0.17mm。累积冲击时间标准差σ_T
降低28.33%，有效消除"环形未剥离带"现象。现场测试表明，优化方案使除锈宽度从274.5mm增至356mm，达到Sa2.5清洁标准所需冲击时间缩短至13.3ms。

该研究创立了首个量化喷嘴布局与流体动力学性能关系的理论框架，IBES算法在解决高维非线性工程优化问题中展现出优越性。未来可扩展至异型喷嘴干扰效应、锈层-基材耦合作用等研究，为智能除锈装备研发提供新范式。