La sperimentazione virtuale nell’ingegneria navale in Victory Design

Virtual Prototyping applied to naval engineering in Victory Design
Victory Design, Italian leader in the design and production of race, pleasure and commercial boats and nautical components, relies on virtual prototyping for the design and optimization of its products, and in particular of hulls and propellant systems. This article refers to the analyses and simulations carried out to improve configurations and performances of the FLEXITAB flap and of its innovative semisubmerged propeller. The integrated use of different ANSYS modules has allowed to achieve satisfactory results, providing also interesting indications for a further development of the models, optimizing production time and costs.

Victory Design nasce dalla passione per il mare, la tecnologia e la ricerca di Brunello Acampora nel 1989. I primi progetti nelle competizioni rappresentano un eccellente banco di prova per testare strumenti che vengono in seguito utilizzati nelle barche da diporto.
Oggi Victory Design è un punto di riferimento della nautica italiana. Una struttura con un approccio multidisciplinare e differente da quello della maggior parte degli ‘architetti nautici’: Victory infatti progetta barche da competizione, da diporto e commerciali, sia mono che multiscafi, in vetroresina, composito e leghe metalliche, senza trascurare le appendici, i timoni, le carene,i sistemi propulsivi, i componenti e svariati accessori nautici coperti da brevetti internazionali.

CFD IN VICTORY DESIGN
A partire dal 2006 Victory Design ha deciso di intraprendere la strada della simulazione virtuale applicata alla progettazione e all’ottimizzazione di appendici di carena e di sistemi propulsivi. L’obiettivo è quello di ottenere previsioni affidabili sulle prestazioni di oggetti che lavorano in condizioni “semisommerse” e quindi sottoposti ad una non trascurabile interazione con la superficie libera dell’acqua.

Modello CAD	Distribuzione di Pressione	Fexidrive POWER 2000

Nasce quindi la necessità di simulare, in maniera affidabile, campi di moto multifase caratterizzati dalla presenza simultanea di fluidi in fase diversa.

FLEXITAB

Mesh elica

A valle di una serie di simulazioni, relative ad appendici di carena dalle note prestazioni e caratteristiche, destinate alla presa di coscienza delle effettive potenzialità del software e alla ricerca dei migliori settaggi e dei modelli matematici da impiegare, sono state effettuate diverse prove sul rivoluzionario flap FLEXITAB, di cui Victory Design detiene il brevetto, allo scopo di incrementarne ulteriormente le prestazioni e di fornire le giuste distribuzioni dei carichi ai fini del dimensionamento strutturale.
Il flap FLEXITAB realizzato in uno speciale materiale composito risulta essere completamente incastrato e, quando viene azionato da un cilindro oleodinamico, flette strutturalmente, come avviene in aria per le pale di un elicottero e per le ali degli aerei.
Il profilo della pala risulta idrodinamicamente avviato e per questo più efficiente di un flap convenzionale (rotante intorno ad una cerniera sul bordo d’attacco) poiché, a parità di un aumento della spinta verticale, non corrisponde un altrettanto aumento della resistenza.
Nelle simulazioni numeriche effettuate con ANSYS CFX, il flap è stato installato su una carena laboratorio “virtuale” in assetto di crociera e sono state studiate le distribuzioni di pressione nelle configurazioni critiche.

Una serie di prove sono state effettuate prendendo in considerazione la configurazione del flap alla massima incidenza e le simulazioni sono state impostate utilizzando e settando in maniera accurata i modelli matematici per campi di moto multifase. La geometria, opportunamente modellata e semplificata, e le mesh a maglie esaedriche sono state sviluppate con il software ANSYS ICEM.
I risultati ottenuti sono stati il frutto di numerose simulazioni durante le quali sono stati affinate le scelte in termini di parametri e modelli matematici in grado di garantire la migliore convergenza dei calcoli senza, peraltro, condizionare la soluzione stessa.

Simultaneamente sono stati effettuati approfonditi studi destinati al dimensionamento della mesh e del dominio di calcolo con lo scopo di svincolare la soluzione ottenuta dall’influenza di queste ultime.
I risultati ottenuti permettono di conoscere in maniera accurata le prestazioni del flap in termini di prestazioni, e quindi di effetti sull’assetto della carena alle varie velocità di esercizio, ma anche in termini di distribuzione di pressioni utili per un dimensionamento più accurato della pala offrendo quindi la possibilità di ridurre pesi e costi.

I risultati ottenuti numericamente, oltre a confermare la netta superiorità del sistema Flexitab comparato con i flaps a cerniera tradizionali, si sono allineati perfettamente con i valori riscontrati sperimentalmente su imbarcazioni naviganti.

ELICA SEMISOMMERSA

Simulazione Elica

Applicazioni del software ancor più spinte hanno riguardato lo studio delle prestazioni di un modello innovativo di elica semisommersa, progettata per Flexitab da Renato ‘Sonny’ Levi e collaudata sperimentalmente sulle trasmissioni Flexidrive.

Scopo di queste simulazioni è stato quello di confrontare i risultati numerici con quelli sperimentali ottenuti in vasca navale con un modello in scala di elica a 5 pale.
La maggiore difficoltà di questo tipo di simulazione è legata alla necessità di modellare, insieme ad un campo di moto multifase, un dominio rotante necessario per la simulazione del moto dell’elica.

Parte del lavoro è stata dedicata alla modellazione della mesh computazionale e soprattutto al dimensionamento del dominio di calcolo destinato a simulare la parte statica del volume intorno all’oggetto rotante.

L’impostazione della simulazione è stata il frutto di approfondite ricerche dei settaggi più appropriati e i problemi di divergenza di calcolo sono stati superati attraverso l’introduzione di opportune UDF (User Defined Functions) attraverso le quali sono state definite le leggi di evoluzione del moto dell’elica e del moto di traslazione della corrente fluida.

I risultati ottenuti, a valle di simulazioni che hanno richiesto importanti risorse hardware e di tempo, hanno fornito risultati più che incoraggianti con scarti, rispetto ai dati sperimentali, piuttosto contenuti.

I risultati hanno dato la possibilità di apprezzare le distribuzioni di pressioni, quindi di affrontare problematiche quali la cavitazione, e di intervenire ancora in fase progettuale direttamente sul modello virtuale ottimizzando i tempi realizzazione del reale sistema propulsivo.

C. Cannavacciuolo - Victory Design
M. Galbiati, L. Brugali, F. Damiani - EnginSoft