Superare i limiti delle prove in vasca con la CFD

Si, in vasca si possono eseguire prove di autopropulsione: invece di imporre la velocità col carroponte, si realizza un modello di scafo dotato di elica funzionante e si lascia che l’avanzamento sia generato dalla spinta dell’elica.

Il problema è che, mentre per lo scafo l’analogia di Froude garantisce correlazioni forti tra modello e scala reale, quando entrano in gioco i dati di elica le correlazioni diventano più deboli. Non tanto sulle prestazioni propulsive globali, quanto soprattutto su fenomeni come la cavitazione, che in scala modello può risultare molto diversa rispetto alla scala nave. Inoltre, anche quando il fenomeno fosse qualitativamente confrontabile, è estremamente difficile ricavare in vasca grandezze come l’area cavitante di un’elica installata sotto una carena in autopropulsione.

In questi casi, una vasca virtuale (un’analisi CFD in scala reale di un corpo mosso da un sistema propulsivo modellato a livelli di dettaglio crescenti) offre due vantaggi principali:

• Stima in modo più preciso le prestazioni macroscopiche, come resistenza complessiva e potenza richiesta.
• Fornisce informazioni ad alto dettaglio sull’interferenza scafo – elica, grazie a risultati come mappe di pressione e linee di corrente sotto la carena: dati che in vasca sono difficili o impraticabili da misurare e quindi, nella pratica, non vengono quasi mai ricavati.

Questa metodologia per mette di creare una correlazione diretta tra il regime del motore e la velocità dell’imbarcazione, e fornisce ulteriori dettagli idrodinamici, come il campo di pressione generato dallo scafo condizioni il funzionamento dell’elica, in termini di efficacia ed efficienza propulsiva. Sono informazioni ottenibili quasi esclusivamente con analisi virtuali e possono fare la differenza tra una progettazione standard ed una progettazione davvero vicina all’ottimo.

Il limite della vasca diventa ancora più evidente se si considera un’imbarcazione ad idrogetto: realizzare una prova sperimentale rappresentativa e correlabile alla scala reale è molto complesso, mentre dal punto di vista numerico la difficoltà di simulare un idrogetto non è sostanzialmente maggiore rispetto a quella di simulare eliche.

Le appendici sono tutti quegli elementi che si trovano sotto l’imbarcazione e che non fanno parte dello scafo vero e proprio (cioè, non sono “carena” in senso stretto), ma che sono comunque necessari perché svolgono funzioni fondamentali nel comportamento dell’imbarcazione.

In generale possono essere:

• Superfici di controllo, come timoni e pinne stabilizzatrici, che servono a governare e stabilizzare la barca.
• Organi/meccanismi di propulsione o supporto, come asse dell’elica e cavalletto, che non governano l’imbarcazione ma sono “corpi esterni” rispetto alla carena e influenzano comunque la navigazione.

Anche se alcuni di questi effetti possono sembrare marginali, in realtà possono essere rilevanti: per esempio cavalletto e asse possono incidere su resistenza, flussi e vibrazioni; ancora di più, è cruciale caratterizzare bene le superfici di controllo (timone, pinne) perché hanno un impatto diretto su manovrabilità e stabilità.

Dentro lo stesso mondo rientrano anche dettagli locali della geometria dello scafo che, pur essendo piccoli, hanno effetti importanti, come:

• Lo scoop (un rigonfiamento/modifica locale vicino a scarichi sommersi) per garantire un deflusso corretto e per evitare che gli scarichi disturbino l’elica, con problemi di vibrazioni e di efficienza propulsiva;
• I tunnel, che permettono di alloggiare eliche in maniera più agevole (ad esempio, con angoli di asse minori) e al contempo creare condizioni di pressione migliori per il funzionamento dell’elica
• Gli Step (o redan) che permettono lo stacco di vena fluida abbattendo la resistenza dell’imbarcazione.
• I correttori d’assetto fissi (intercepotor e wedge, ma anche gli stessi pattini) o mobili (flap), posizionati verso poppa per modificare l’assetto eventualmente in maniera dinamica.

In sintesi: appendici e modifiche locali non sempre cambiano “in grande” le prestazioni complessive, ma a livello di dettaglio possono fare la differenza tra un’imbarcazione facile e confortevole e una più scomoda, più rumorosa o più critica da gestire in navigazione.

Anche le appendici possono essere studiate in vasca, ma richiedono di affiancare alla similitudine di Froude anche una correzione legata a Reynolds: questo aumenta la complessità e introduce ulteriori ipotesi, per quanto consolidate.
Per quanto riguarda invece i dettagli locali delle carene, si può certamente valutarne l’effetto (in termini, ad esempio, di correzione di assetto) ma non il funzionamento, ossia non si riesce a capire nel dettaglio come il campo di pressione venga modificato dai dettagli geometrici.

Il passo concettuale successivo è questo: se si riesce a simulare un timone fisso sotto un’imbarcazione per caratterizzarlo, ad esempio in termini di resistenza (come appendice), allora il passo naturale dopo è usarlo per ciò a cui serve davvero, ovvero muoverlo per valutare come contribuisce alla manovrabilità dell’imbarcazione.

Questo tipo di analisi, in vasca, diventa rapidamente molto difficile: si possono eseguire solo poche manovre, e non in tutte le strutture, ma soltanto in quelle dotate di apparecchiature specifiche.

In un ambiente virtuale, invece, ci si svincola dai limiti della vasca e si riesce a simulare uno scenario più realistico: un’imbarcazione propulsa dal proprio sistema (elica o vela) e un timone che viene deflesso secondo comandi definiti.

In questo modo si può studiare:

• il comportamento del timone, cioè pressioni e forze generate dal flusso sul timone (e viceversa);
• l’effetto sulla manovra, cioè come una certa deflessione del timone si traduce in una determinata risposta dell’imbarcazione.

Inoltre, sia la propulsione (elica/vela) sia il timone possono essere governati con leggi di controllo che replicano manovre reali: per esempio una manovra standard a ±30° può essere riprodotta imponendo esattamente la curva temporale con cui il timone deve muoversi, i tempi e i limiti.

Il risultato è che manovre che normalmente si potrebbero valutare solo su un’imbarcazione reale (con tutte le difficoltà operative e i costi del caso) possono invece essere analizzate già in fase di progettazione, su un digital twin dell’imbarcazione. Così queste analisi entrano direttamente nel ciclo di progetto, aiutando a far convergere geometria e configurazione verso una soluzione non solo valida, ma il più possibile ottimizzata.

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