Parametrizzazione e ottimizzazione di un Gate Rudder: analisi dell'efficienza propulsiva attraverso i casi studio DTC e JBC

Abstract

L’obiettivo principale è la creazione di uno strumento progettuale di supporto nella scelta della geometria e della posizione di un gate rudder da installare a bordo di una nave, con il valore aggiunto della maggiore efficienza propulsiva rispetto al timone convenzionale. Per mettere in pratica quanto prefissato, è stato adottato un approccio basato sull'ottimizzazione, che ha richiesto la creazione di una procedura automatizzata. Pertanto, dapprima si è realizzato un codice che riuscisse a parametrizzare la forma del gate rudder, in modo da farla variare in base ai valori assunti da alcuni parametri. Dopodiché, mediante l’accoppiamento di un calcolo RANSE ai volumi finiti e di un algoritmo di ottimizzazione, è stata effettuata un’analisi delle prestazioni fluidodinamiche del gate rudder al variare della sua forma, per identificare tra le diverse geometrie quella che consentisse di minimizzare la potenza richiesta dall'elica dietro carena. Per via delle interazioni con carena ed elica, il caso ideale sarebbe stato quello di un modello con superficie libera con carena, elica e gate rudder, ma questo avrebbe causato un notevole onere computazionale, impensabile in ottica ottimizzazione. Da qui l’idea di sfruttare la tecnica del doppio modello, effettuando delle simulazioni senza superficie libera incrementando la resistenza di una quantità pari alla resistenza d’onda, ed utilizzando il modello del Virtual Disk, implementato nel software impiegato. Tale procedura è stata applicata a due casi, identificati come DTC e JBC. Grazie alla mole di dati raccolta attraverso l'ottimizzazione, un secondo obiettivo è diventato l'analisi delle tendenze ottenute nei risultati per identificare la presenza di situazioni di ottimo generalizzabili. In conclusione, i risultati evidenziano la robustezza del processo messo a punto, anche se con la presenza di criticità che necessitano di ulteriori miglioramenti, per far sì che i risultati ottenuti siano maggiormente aderenti alla realtà.

The main objective is the realization of a design tool that could be a support in the choice of the geometry and the position of a gate rudder that has to be installed on board a ship, with the aim of increasing the propulsive efficiency compared to a conventional rudder. To achieve this, an optimization-based approach was adopted, which required the creation of an automated procedure. Therefore, initially, a code was developed to parameterize the shape of the gate rudder in a way that it could vary by modifying some parameters. Then, a combination of RANSE simulations and an optimization algorithm was implemented in order to analyze the performance of the gate rudder. It was necessary to identify the optimal geometry that minimized the power required by the propeller operating behind the hull. Due to the complex interactions among the hull, the propeller and the gate rudder, the ideal scenario would have involved simulations with a free surface, accounting for all three components. However, this approach would have resulted in a high computational cost, certainly not acceptable for optimization. For this reason, the technique of a double model was adopted, performing simulations without a free surface, coupled with the use of the Virtual Disk model, integrated into the chosen software. This procedure was applied to two case studies, referred to as DTC and JBC. Thanks to the quantity of data collected during the optimization process, the analysis of parameters trends became a second objective for this study. To conclude, it can be said that the results highlight the robustness of the developed process, despite the presence of critical aspects requiring further improvements and investigation to achieve more realistic outcomes.