考虑螺旋桨-导管相互作用的轮缘驱动推进器参数化建模与协同优化

为解决轮缘驱动推进器(RDT)因结构创新导致的效率提升难题，武汉理工大学团队提出基于CAESES参数化建模和Star-CCM+仿真的协同优化方法，采用NSGA-II算法实现多目标优化，使水动力效率提升5.78%并显著降低空化风险，为船舶推进系统设计提供新范式。

　　

轮缘驱动推进器(RDT)作为颠覆传统轴驱动系统的新型推进装置，凭借集成化设计、高功率密度等优势成为船舶工业的研究热点。然而其将电机嵌入导管的特殊结构，导致螺旋桨-导管相互作用复杂化，摩擦扭矩剧增使效率提升面临瓶颈。更棘手的是，轮缘间隙流动与叶片应力分布的独特特征，使得沿用传统螺旋桨的优化方法收效甚微。武汉理工大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表的这项研究，开创性地建立了RDT参数化协同优化框架，为突破这一技术壁垒提供了解决方案。

研究采用CAESES软件对RDT关键部件进行B样条曲线参数化建模，通过Star-CCM+求解RANS方程进行流场仿真。基于Sobol序列构建代理模型简化优化流程，运用非支配排序遗传算法(NSGA-II)实现水动力效率与空化性能的多目标优化。实验样本源自团队自主研发的多种尺寸RDT原型机，包括应用于拖轮和训练舰的成熟产品。

【Governing equations】部分验证了RANS方程结合SST k-ω湍流模型能准确捕捉轮缘间隙流动特征。通过定义连续性方程和动量守恒方程，量化了流体密度ρ、速度分量u_i与雷诺应力-ρu′_iu′_j的相互作用机制。

【Results】显示代理模型的决定系数R²达0.96以上，优化后RDT在设计工况点的效率提升5.78%。通过POD分析发现，优化方案使叶尖涡强度降低37%，轮缘间隙泄漏流减少29%。特别值得注意的是，最大空化数降低至原始设计的62%，表明抗空化能力显著增强。

【Conclusion】指出该研究首次实现了RDT螺旋桨与导管的协同优化，突破传统单独优化组件的局限。采用参数化建模将设计周期缩短40%，NSGA-II算法得到的Pareto前沿为不同航速工况提供优选方案。这项成果不仅为RDT在大型商船的应用扫清技术障碍，其建立的CFD-IDDES耦合分析方法，也为水下装备涡流噪声研究提供新工具。

研究团队特别致谢国家重点研发计划(2022YFB4300802)和湖北省自然科学基金(2025AFB002)的资助。Wu Ouyang与Bao Liu提出的协同优化理论框架，与Zhuo Zhang开发的参数化建模工具形成技术互补，彰显了产学研协同创新的价值。该工作对实现国际海事组织(IMO)能效指标具有战略意义，相关技术已应用于某型智能拖轮的实船测试。