Lo studio della dinamica di uno scafo navale è molto interessante da un punto di vista ingegneristico, viste le notevoli applicazioni in campo pratico e l’elevata complessità modellistica. Per quanto riguarda l’aspetto applicativo, risulta essere particolarmente importante poter definire le caratteristiche di una imbarcazione in base alle sue effettive prestazioni. Nel campo della progettazione navale è fondamentale conoscere al meglio le caratteristiche dinamiche dei modelli in realizzazione, in modo da poter individuare dove agire per renderli più performanti e sicuri. Tale analisi può essere realizzata sia per via sperimentale, attraverso test in vasche navali di prova, sia attraverso simulazioni numeriche. Mentre i test sperimentali con la vasca di traino navale forniscono i risultati più accurati, la conoscenza dell’influenza della forma dello scafo è limitata. Un vantaggio dei metodi numerici e delle formulazioni teoriche è proprio quello di consentire modifiche alle forme dello scafo rapidamente e ottenere un set di soluzioni per vari modelli geometrici in breve tempo, aiutando durante la fase di ottimizzazione della forma nel ciclo progettuale ed evitando di dover seguire il ciclo convenzionale con costruzione di modelli in scala testati nelle vasche navali. Le tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD), stanno diventando sempre più popolari nell'analisi delle caratteristiche del flusso in quasi tutti i rami dell'ingegneria, e specialmente nella previsione della resistenza di avanzamento della nave dove è presente un flusso complesso attorno allo scafo. La resistenza di avanzamento di una nave è composta da due componenti principali: la resistenza all'attrito e la resistenza alle onde. Entrambi devono essere ridotti per mantenere bassa la resistenza di avanzamento della nave. La componente resistenza dovuta alle onde è fortemente dipendente dalla forma dello scafo; quindi, in fase preliminare è possibile trovare, con diverse tecniche, la forma migliore per ridurla. Più complessa è la riduzione della componente di attrito, perché dipende dal contatto tra la superficie della nave e l'acqua. Il problema più difficile è la riduzione di quest’ultima con metodologie applicabili sulle navi. Esistono molti esempi di riduzione della resistenza aerodinamica su piastra piana, ad esempio l'applicazione di particolari rivestimenti o particolari geometrie, ma questi metodi passivi non sono adatti per applicazioni navali. Un altro metodo è quello attraverso l'iniezione dell'aria sotto lo scafo, questa condizione permette di separare la superficie della nave dall'acqua. Questo metodo sembra il più promettente. Studi dimostrano che l'iniezione di uno strato stabile di aria consente di ridurre la resistenza all'attrito. La diffusione di elevate risorse computazionali a costi molto bassi ha portato, nel corso degli anni, a sviluppare nuovi approcci numerici per simulare il fluido, non solo quello che circonda uno scafo della nave, ma anche di una vela e ad indagare l'interazione fluido-struttura. Poiché la deformazione di una vela a causa dei carichi del vento può essere notevole, lo studio dell'interazione fluido-struttura (FSI) rappresenta uno degli argomenti più interessanti per prevedere le prestazioni aerodinamiche delle vele. Le simulazioni FSI sono di solito implementate accoppiando solutori CFD, per calcolare la distribuzione della pressione sulla vela, e di pacchetti FEM (Finite Element Method) per determinare la forma deformata della vela.

Modellazione e analisi fluidodinamica di geometrie innovative per carene plananti ventilate

RAFFAELE, Marcello
2022-05-20

Abstract

Lo studio della dinamica di uno scafo navale è molto interessante da un punto di vista ingegneristico, viste le notevoli applicazioni in campo pratico e l’elevata complessità modellistica. Per quanto riguarda l’aspetto applicativo, risulta essere particolarmente importante poter definire le caratteristiche di una imbarcazione in base alle sue effettive prestazioni. Nel campo della progettazione navale è fondamentale conoscere al meglio le caratteristiche dinamiche dei modelli in realizzazione, in modo da poter individuare dove agire per renderli più performanti e sicuri. Tale analisi può essere realizzata sia per via sperimentale, attraverso test in vasche navali di prova, sia attraverso simulazioni numeriche. Mentre i test sperimentali con la vasca di traino navale forniscono i risultati più accurati, la conoscenza dell’influenza della forma dello scafo è limitata. Un vantaggio dei metodi numerici e delle formulazioni teoriche è proprio quello di consentire modifiche alle forme dello scafo rapidamente e ottenere un set di soluzioni per vari modelli geometrici in breve tempo, aiutando durante la fase di ottimizzazione della forma nel ciclo progettuale ed evitando di dover seguire il ciclo convenzionale con costruzione di modelli in scala testati nelle vasche navali. Le tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD), stanno diventando sempre più popolari nell'analisi delle caratteristiche del flusso in quasi tutti i rami dell'ingegneria, e specialmente nella previsione della resistenza di avanzamento della nave dove è presente un flusso complesso attorno allo scafo. La resistenza di avanzamento di una nave è composta da due componenti principali: la resistenza all'attrito e la resistenza alle onde. Entrambi devono essere ridotti per mantenere bassa la resistenza di avanzamento della nave. La componente resistenza dovuta alle onde è fortemente dipendente dalla forma dello scafo; quindi, in fase preliminare è possibile trovare, con diverse tecniche, la forma migliore per ridurla. Più complessa è la riduzione della componente di attrito, perché dipende dal contatto tra la superficie della nave e l'acqua. Il problema più difficile è la riduzione di quest’ultima con metodologie applicabili sulle navi. Esistono molti esempi di riduzione della resistenza aerodinamica su piastra piana, ad esempio l'applicazione di particolari rivestimenti o particolari geometrie, ma questi metodi passivi non sono adatti per applicazioni navali. Un altro metodo è quello attraverso l'iniezione dell'aria sotto lo scafo, questa condizione permette di separare la superficie della nave dall'acqua. Questo metodo sembra il più promettente. Studi dimostrano che l'iniezione di uno strato stabile di aria consente di ridurre la resistenza all'attrito. La diffusione di elevate risorse computazionali a costi molto bassi ha portato, nel corso degli anni, a sviluppare nuovi approcci numerici per simulare il fluido, non solo quello che circonda uno scafo della nave, ma anche di una vela e ad indagare l'interazione fluido-struttura. Poiché la deformazione di una vela a causa dei carichi del vento può essere notevole, lo studio dell'interazione fluido-struttura (FSI) rappresenta uno degli argomenti più interessanti per prevedere le prestazioni aerodinamiche delle vele. Le simulazioni FSI sono di solito implementate accoppiando solutori CFD, per calcolare la distribuzione della pressione sulla vela, e di pacchetti FEM (Finite Element Method) per determinare la forma deformata della vela.
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