Analisi CFD di un catamarano e studio preliminare di fattibilità per l'implementazione di hydrofoil

Abstract

La seguente tesi si propone di elaborare uno studio fluidodinamico a due gradi di libertà di un catamarano per la Energy Boat Challenge, una competizione universitaria organizzata dallo Yacht Club di Monaco. Un altro obiettivo della tesi è quello di valutare la possibilità di integrare una configurazione di hydrofoil, ispirata dalle soluzioni più avanzate presenti sul mercato per imbarcazioni da diporto. Questo studio è stato condotto con l’ausilio di analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) utilizzando il software Star-CCM+. L’approccio consente di ricavare i risultati in termini di resistenza al moto del multiscafo, sui quali verte la trattazione e sulla quale si basa la valutazione finale di possibilità d’installazione dei foil. L’analisi permette di determinare la riduzione di resistenza al moto dettata dall’impiego dei foil, derivante dalla riduzione di superficie immersa degli scafi. L’elaborato si articola in due parti fondamentali: La prima parte verte sullo studio fluidodinamico degli scafi tramite l’impiego di metodi RANS e sulla valutazione di convergenza della mesh, procedura attuata per ottenere la griglia di calcolo ottimale per garantire un buon compromesso tra precisione dei risultati e onere computazionale. La seconda parte della tesi si concentra sulla stima delle forze di portanza e resistenza dei foil, utilizzando una metodologia di derivazione empirica. Successivamente, viene sviluppata un’analisi CFD tenendo conto della portanza garantita dai foil nelle configurazioni studiate e nel range di velocità relativo alla condizione precedente al volo. Questa fase è cruciale per permette di valutare l’effettiva possibilità d’impiego dei foil su questa imbarcazione, confrontando la resistenza al moto del catamarano con e senza profili portanti.

The following thesis aims to develop a two-degree-of-freedom fluid dynamics study of a catamaran for the Energy Boat Challenge, a university competition organized by the Monaco Yacht Club. Another objective of the thesis is to evaluate the possibility of integrating a hydrofoil configuration, inspired by the most advanced solutions available on the market for recreational boats. This study was conducted with the aid of CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis using Star-CCM+ software. This approach allows us to obtain results in terms of resistance, which is the focus of the discussion and on which the final assessment of the possibility of installing foils is based. The analysis allows us to determine the reduction in resistance dictated by the use of foils, resulting from the reduction in the submerged surface area of the hulls.The thesis is divided into two main parts: The first part focuses on the fluid dynamics study of hulls using RANS methods and on the evaluation of mesh convergence, a procedure implemented to obtain the optimal calculation grid to ensure a good compromise between accuracy of results and computational load. The second part of the thesis focuses on estimating the lift and drag forces of the foils, using an empirical derivation methodology. Subsequently, a CFD analysis is developed taking into account the lift provided by the foils in the configurations studied and in the speed range relative to the condition prior to flight. This phase is crucial in order to evaluate the actual possibility of using foils on this boat, comparing the resistance of the catamaran with and without lifting profiles.