I benefici del Virtual Towing Tank: perché sostituire le prove in vasca con analisi CFD in Simcenter STAR-CCM+

Insieme ai fattori di tipo meramente “marketing” e di design, aspetti quali velocità massima, consumo di carburante, autonomia e comfort rientrano a pieno titolo tra i criteri utilizzati dal cliente per indirizzare la propria scelta di acquisto. Per questi motivi, la prima fase di ricerca delle prestazioni di una barca è indirizzata proprio verso questi due fattori, resistenza e assetto.

Per il progettista, gli strumenti chiave per valutare tutto questo sono le curve di resistenza e di assetto, che descrivono come la barca reagisce all’aumentare della velocità; tradizionalmente queste curve vengono ottenute tramite prove in vasca navale, una metodologia solida ma non priva di limiti.

Le prove sperimentali, infatti, richiedono tempo, costi elevati e portano con sé diverse approssimazioni: dalla scalatura tra modello e scafo reale, alla limitata disponibilità della vasca, fino al fatto che ogni modifica geometrica comporta interventi sul modello, se non addirittura la sua ricostruzione.

In questo articolo vedremo come l’uso della CFD, e in particolare di un software come Simcenter STAR-CCM+, permetta di superare queste difficoltà, fornendo curve di resistenza e assetto in tempi ridotti, con un livello di accuratezza e correlazione con i dati sperimentali ormai più che consolidato.

La curva di resistenza mostra il valore della resistenza idrodinamica (ossia la risultante delle forze idrodinamiche che si oppongono al moto dello scafo) al variare della velocità dell’imbarcazione stessa. I dati di resistenza sono fondamentali per dimensionare l’impianto di propulsione (power plant) delle barche, dal motore alle eliche, passando per gli invertitori; sovrapponendo le curve di prestazione con i dati del power plant il progettista riesce a capire se quell’imbarcazione riesce a raggiungere una determinata velocità massima.

In maniera analoga, basandosi sui dati di consumo di carburante della power unit, è possibile stimare l’autonomia (e il range) dell’imbarcazione.

L’altro dato importante per il progettista è l’assetto dell’imbarcazione in funzione della velocità di navigazione. L’assetto di uno scafo, restando nell’ambito della dinamica longitudinale, è rappresentato principalmente dalla combinazione di angolo di beccheggio (trim) e spostamento verticale (sinkage) della carena.

Per carene particolarmente veloci ed opportunamente progettate, si ha il passaggio da un regime dislocante (spostamento d’acqua) ad un regime planante (scivolamento sull’acqua), con l’imbarcazione si solleva parzialmente dall’acqua grazie alle maggiori forze idrodinamiche.

Tipicamente, in fase di pre-planata la prua si alza e l’assetto è più appoppato per sfruttare la pressione dell’acqua appoggiandosi sulla poppa e sugli spigoli dello scafo ed entrare poi nella fase di planata piena, con conseguente fuoriuscita della carena dall’alto grazie al sollevamento della carena, riducendo drasticamente la superficie bagnata e l’attrito e raggiungendo velocità più elevate.

È evidente, dunque, che una corretta gestione dell’assetto alle varie velocità, soprattutto per carene plananti, porta ad una serie di benefici sulle prestazioni dell’imbarcazione.

Una carena che plana in maniera corretta inoltre può garantire anche un corretto (contenuto) angolo di trim, risultando quindi più confortevole per i passeggeri e garantendo migliore visibilità al pilota.

La qualità di una carena ruota in larga parte attorno alla relazione diretta tra angolo di assetto e trim, che governa il reale funzionamento in planata. L’angolo di trim non è solo una conseguenza del moto, ma un parametro che stabilisce quanta superficie bagnata lavora, come vengono distribuite le pressioni idrodinamiche e quindi quanta resistenza viene generata. A parità di velocità, piccole variazioni di assetto possono spostare in modo significativo l’equilibrio tra portanza e drag, amplificando o riducendo l’efficienza complessiva.

Resistenza e assetto sono dunque il risultato di un equilibrio delicato tra geometria (la forma delle sezioni di fondo con V più o meno profonda, lunghezza e larghezza della superficie planante), condizioni di carico (dislocamento e posizione del baricentro, sia longitudinale che verticale) e interazione fluido–struttura; questi parametri agiscono come leve progettuali che determinano quale angolo di trim la carena tende ad assumere e quanto questo assetto sia stabile e ottimale in termini di resistenza.

A questi si aggiunge il controllo di effetti idrodinamici come spray e ventilazione, spesso sottovalutati ma cruciali alle alte velocità.

Dal punto di vista progettuale, gli ambiti di intervento tipici riguardano la modifica del deadrise angle, l’ottimizzazione di step e redan, l’uso e il dimensionamento di correttori di assetto (come trim tab e flap), la gestione dei volumi di prua per controllare l’ingresso in planata e, più in generale, la ridistribuzione delle masse per ottenere un assetto stabile e con minima resistenza.

È proprio qui che la CFD diventa uno strumento potente: permette di valutare in modo quantitativo come piccole variazioni geometriche o di assetto influenzino separazioni, carichi idrodinamici e comportamento dinamico dello scafo, senza dover passare ogni volta da una prova fisica in vasca.

Storicamente esistono vari metodi di valutazione delle prestazioni di una barca, da quelli analitici a quelli empirici come l’utilizzo di analogie e confronto con imbarcazioni del medesimo tipo piuttosto che metodi semi-empirici come quello di Savitsky.

In ogni caso, lo strumento cardine per le valutazioni delle prestazioni di uno scafo è sicuramente la prova in vasca che viene effettuata ormai da quasi un centinaio di anni. Nel corso del tempo queste prove sono state codificate un una serie di procedure standard validate e testate.

Ad esempio, l’International Towing Tank Conference (ITTC) propone una serie di guide line per ottenere dei risultati conformi e ripetibili all’interno delle prove in vasca.

Durante questo tipo di prove, il modello, realizzato con elevata accuratezza geometrica, viene trainato lungo una vasca d’acqua da un carro ponte a velocità prefissata, così da riprodurre il moto della nave reale. Durante la prova si misurano grandezze come la resistenza all’avanzamento, l’assetto, il trim e, in presenza di onde, i movimenti indotti dal moto ondoso.

Spesso quando si parla di prove in vasca si tende a trascurare un sottinteso che ha però delle importanti implicazioni nell’analisi dei risultati: il fatto che la prova venga effettuata su un modello dello scafo di dimensioni opportune per poter entrare nella vasca (scala modello), e non su una versione reale dell’intero scafo (scala reale).

Utilizzare un modello in scala, se da una parte offre vantaggi in quanto non richiede la realizzazione dell’intera imbarcazione per fare la prova, dall’altra introduce delle approssimazioni dovute alla necessità di “trasferire” le informazioni tra le due scale.

Questo trasferimento viene effettuato con una serie di tecniche numeriche basate principalmente sull’analogia di Froude, in cui una serie di equazioni, di coefficienti e di ipotesi permettono di ricavare le prestazioni dell’imbarcazione reale partendo da quelle in scala modello.

In pratica:

• per la realizzazione della prova occorre trasferire la velocità da testare alla scala del modello (ovvero, il modello viene testato ad una velocità differente rispetto quella a cui si muoverà in mare l’imbarcazione reale);
• una volta terminata la prova, le curve di resistenza e di sinkage misurate in vasca vengono trasferiti alla scala reale della nave.

Benché questa procedura sia dettagliatamente definita dalla ITTC, rimane sempre un margine di approssimazione, e necessita di esperienza per interpretare i risultati del modello al fine di trasferire le misure rilevate in vasca alla scala reale. Ciò si traduce in un inevitabile margine di incertezza e di errore sulle effettive prestazioni dell’imbarcazione.

Inoltre, l’integrazione delle prove in vasca all’interno del loop di progettazione di una imbarcazione porta con sé alcune sfide.

La prima è quella del tempo. In Europa non sono molte le vasche navali che possono vantare un alto grado di precisione e di affidabilità, e la capacità di realizzare prove per qualsiasi tipo di situazione.

È quindi evidente che le tempistiche per effettuare le prove in vasca possono essere piuttosto lunghe, sia per aspetti intrinseci dell’attività (ad esempio la realizzazione del modello), sia per l’effettiva disponibilità di slot liberi di prove in vasca.

Il risultato? Una campagna di prove riferita a una specifica geometria – e quindi a un modello definito – può richiedere alcuni mesi per essere programmata, svolta e successivamente post-processata.

La seconda sfida riguarda i costi tipici delle prove, generalmente rilevanti: si va infatti dai costi per la realizzazione del modello dell’imbarcazione fino a quelli necessari per eseguire la prova e per il successivo post-processing dei dati raccolti.

Costi che si moltiplicano nel caso in cui si vogliano studiare varianti di geometria che non permettano il riutilizzo del modello di partenza.

Per fortuna oggi, accanto (ed in alternativa) alle tradizionali prove in vasca, le analisi CFD hanno una accessibilità nettamente maggiore rispetto ad appena dieci anni fa, il che ha reso possibile passi avanti significativi nel trasformarle in uno strumento pienamente integrato nel loop di progettazione.

Con Star-CCM+ è possibile replicare le prove in vasca reale creando quello che viene comunemente chiamato Virtual Towing Tank, in pratica un carroponte virtuale. Proprio come nelle prove reali, si collega un punto dell’imbarcazione a un punto virtuale definito nel CAD dello scafo e, tramite questo vincolo, si impone una velocità costante (o controllata) allo scafo, mentre si lasciano liberi i DoF (Degrees of Freedom, o gradi di libertà) longitudinali, come sinkage e trim; i gradi di libertà latero-direzionali possono essere vincolati, così da replicare fedelmente il set-up tipico della vasca.

Oltre ai risultati macroscopici (ad esempio resistenza e assetto), la CFD offre anche informazioni che in vasca sono difficili o impossibili da ottenere. Un esempio fondamentale è la mappatura della pressione sul fondo della carena: questo permette di capire in dettaglio come la carena sta lavorando, soprattutto in regime planante, dove le forze idrodinamiche diventano predominanti rispetto a quelle idrostatiche.

Questo livello di dettaglio diventa ancora più utile quando nel modello CAD si includono particolari geometrici come pattini, tunnel d’elica e appendici. In quel caso è possibile valutare il contributo e il funzionamento di ciascun elemento osservando le pressioni e i campi di carico che si sviluppano localmente. Di conseguenza si possono fare ottimizzazioni mirate che nelle prove in vasca reali sono limitate o solo parzialmente fattibili.

Ma perché dovremmo utilizzare prove virtuali e rinunciare alle certezze (e al fascino) delle vasche navali?

Il vantaggio immediato è che non è più necessario realizzare un modello fisico: grazie al digital twin si può collegare direttamente il CAD a un software CFD, ottenendo una continuità immediata tra le geometrie disponibili nelle varie fasi di progetto e la misura delle loro prestazioni.

Passando da modello fisico al digital twin, inoltre, non si è più vincolati alle dimensioni della vasca reale. Questo significa che non è necessario lavorare in scala modello e poi trasferire i risultati: si può simulare direttamente lo scafo di dimensioni reali, in una vasca virtuale sufficientemente grande (idealmente infinita), imponendo velocità reali e ottenendo risultati direttamente in scala reale, senza dover applicare correlazioni basate sull’analogia di Froude.

Non dovendo ogni volta costruire un modello di prova, inoltre, si possono valutare rapidamente molte varianti, confrontare più soluzioni in parallelo e scegliere quelle più promettenti.

Anche il controllo dei load case dell’imbarcazione risulta più semplice da considerare in ambiente virtuale: con poche modifiche si possono variare dislocamento e/o posizione del baricentro ed eseguire diverse simulazioni per capire la risposta della barca a condizioni di carico differenti.

Questo approccio porta dunque benefici concreti:

• sul piano operativo, perché consente di verificare l’imbarcazione a ogni modifica progettuale (ad esempio cambiando la geometria);
• nei tempi, perché non serve trasformare i CAD in modelli da testare in vasca;
• nei costi, perché si elimina la necessità di costruire il modello e organizzare le prove sperimentali;
• al livello decisionale, perché informazioni più dettagliate e visibili permettono scelte di design più raffinate.

Per quanto i colori della fluidodinamica siano sicuramente affascinanti, senza una stretta correlazione con i dati sperimentali non è possibile aver fiducia nel fatto che le analisi virtuali riescano a cogliere correttamente gli stessi fenomeni delle prove in vasca.
In SmartCAE effettuiamo analisi CFD negli ambienti più disparati. Per poter testare ed affinare la predittività dei nostri modelli, sviluppiamo test case, correlati a dati sperimentali, per i principali settori di nostro interesse. In ambito marino, per le carene veloci, abbiamo scelto le carene della serie di Southampton come benchmark di affidabilità.

In particolare, la carena Hull C è quella su cui abbiamo effettuato il maggior numero di indagini in quanto presenta maggiori dati sperimentali per il confronto ed è la carena madre per i modelli con step.

I risultati ottenuti dalle simulazioni CFD mostrano un ottimo accordo con i dati sperimentali disponibili in letteratura per le classiche prove in vasca, sia in termini di resistenza che di angolo di assetto (ma anche delle altre misure caratteristiche delle prove in vasca, qui non riportate), a conferma del fatto che il modello numerico è in grado di catturare i principali fenomeni fisici in gioco. Questo livello di correlazione rende la CFD uno strumento affidabile non solo per l’analisi delle prestazioni, ma anche per confronti parametrici e ottimizzazione della carena già nelle prime fasi di progetto.

In sintesi, il Virtual Towing Tank in STAR-CCM+ supporta il progettista sia nella stima delle prestazioni globali dello scafo, sia nella progettazione e ottimizzazione di dettaglio, cioè in una fase “di secondo livello” dove si migliorano le caratteristiche specifiche della geometria analizzata in qualsiasi fase della progettazione.

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