Page 140 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 陈源捷，等： 基于ESGA遗传算法的水射流自驱旋转喷头优化设计 第 2 期

保 持 在 1.825×10 −3 附 近 。 当 初 始 种 群 规 模 大 于 50 时 ， 曲 线 下 降 速 率 趋 势 改 变 ， 最 终 收 敛 值 保 持 在
−3
1.855×10 附近，且收敛结果优化幅度减小。种群规模为 50 的曲线，在开始阶段其初始目标值最大并且
下降速率最快，最后趋于稳定的收敛时间最短。因此，种群规模逐渐扩大，算法的全局搜索能力及收敛
能力会先增强后减弱。
为了方便确定旋转射流喷头中喷嘴的具体位置，对其编号进行定位。该布置平面内共设有 6 个喷
嘴，图 11 中数字代表喷嘴所在位置的编号。从上述旋转射流喷头布局优化设计方案对比图中可以发
现：（1）在喷嘴布局上，原方案呈对称分布，而采用 ESGA 算法优化后所得到的喷嘴布局优化方案呈非对
称分布，越往喷头两侧喷嘴排布越紧密，越靠近喷头中心喷嘴排布越稀疏，这也恰好是当前高效型喷头
布局的发展方向；（2）由于布局优化以扫掠时间标准差最小值为优化目标，所以优化结果反映射流能量
分布趋势。显然，优化后的方案增大了喷头两侧的射流能量，同时减小了喷头中心附近的射流能量，使
得射流能量达到均衡，也能够避免因中心附近局部过喷以及两侧漏喷而导致旋转射流喷头在冲击船壁
锈层时留下少量的“剥离环”。

6 6
4
4
2
2

5 5
3 3
1
1
(a) 3D view of original design (b) 3D view of optimal design
图 11 原设计方案与 ESGA 优化设计方案对比
Fig. 11 Comparison between original design and ESGA optimal design

为了更加直观地反映优化前后扫略冲击轨迹密度分布的均匀程度，将旋转射流喷头原布局方案与
ESGA 优化布局方案所对应的扫掠冲击轨迹进行对比，如图 12 所示，图中横坐标为喷头整体平移的横向
距离，纵坐标为喷头路径垂直方向上的距离。以冲击旋转半径的最大值为射流的最大覆盖范围，可以看
到经优化后所得的布局设计方案最大覆盖范围略优于原布局方案。因此，ESGA 算法能够在有限的射流
旋转喷头几何尺寸设计域内，最大程度地增大射流冲击扫掠的覆盖范围。
60 60

40
40
Longitudinal distance/mm −20 0 Longitudinal distance/mm −20 0
20
20

−40

−60
−60 −40
−50 0 50 100 150 200 250 300 −50 0 50 100 150 200 250 300
Traverse distance/mm Traverse distance/mm
(a) Sweep impinging trajectories of original design (b) Sweep impinging trajectories of optimal design.
图 12 原布局与 ESGA 优化布局方案冲击扫掠轨迹对比
Fig. 12 Comparison of sweep impinging trajectories between original layout and optimized layout by ESGA

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