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Analisi Fluidodinamica CFD su un motoscafo da F1

Settore: Nautica

Cliente: Baruffi Composites Solutions

Referente: Ing. Davide Mavillonio, Ing. Yauheni Parfionau

Categoria: Fluidodinamica, analisi CFD

Descrizione


 

Esigenza

Baruffi Composites Solutions, azienda leader nella progettazione, sviluppo e produzione di manufatti sia estetici che strutturali in materiali compositi avanzati per numerosi settori, e in particolare per quello dell’automotive, si è affidata all’esperienza di Asotech per testare le caratteristiche di stabilità longitudinale di un motoscafo di sua realizzazione per il campionato di motonautica inshore.

Un natante innovativo ad alte prestazioni che presentava alcune caratteristiche salienti rispetto ad altre imbarcazioni, quali elementi galleggiati e un fondo piatto con geometrie avveniristiche, studiate per aumentare l’efficienza della navigazione, e una cellula di sopravvivenza del pilota più leggera e resistente che, unita all’utilizzo di materiali in carbonio, permetteva un risparmio di peso e un conseguente guadagno in velocità di punta.

Baruffi Composites Solutions si è avvalsa delle competenze di Asotech per testare due aspetti critici del natante prima di un suo effettivo test:

Portanza aerodinamica

Stabilità longitudinale

Se fosse venuta meno la prima caratteristica il natante non sarebbe stato in grado di planare e di conseguenza si sarebbe comportato come un’imbarcazione dislocante, mentre l’assenza di stabilità longitudinale avrebbe potuto causare danni disastrosi sia per il pilota che per il motoscafo. Questo tipo di instabilità è caratterizzata dall’aumento improvviso dell’angolo d’attacco fino al ribaltamento del natante e si verifica prevalentemente quando l’imbarcazione naviga alla massima velocità.

Intervento


La portanza e la resistenza rivestono un ruolo fondamentale nel calcolo delle prestazioni del motoscafo, in quanto da esse dipendono le caratteristiche aero e idrodinamiche ma anche la stabilità longitudinale.

Per eseguire le simulazioni numeriche CFD, i professionisti Asotech hanno utilizzato il programma commerciale FLUENT in ambiente ANSYS Workbench 2019 R1 con gli opportuni moduli per la fase di pre-processing, solving e post-processing. Una volta semplificato il modello 3D fornito dalla committenza in ambiente Space Claim, è stato creato il modello fluidodinamico, che ha permesso di capire l’andamento dei flussi di aria e acqua e in che modo le forze lift e drag si modificano al variare dell’inclinazione e della velocità del natante. Sono stati infatti esaminati numerosi casi che hanno analizzato differenti inclinazioni del motoscafo (da 0° a 12°) e velocità (da 0 a 200 km/h).

Vista l’impossibilità di ottenere informazioni riguardanti la spinta del motore, si è deciso di simulare l’elica nelle sue condizioni di massima efficienza. Come per il natante, il modello dell’elica è stato importato nell’ambiente Space Claim e poi in Fluent per ottenere le curve di spinta al variare dell’angolo di pitch e del regime di rotazione.

grafico natante
A questo punto il team Asotech, coordinato dall’Ing. Davide Mavillonio, ha eseguito in ambiente Matlab l’analisi dei risultati derivanti della simulazione sul motoscafo.

Una volta analizzati i dati ottenuti, è stato possibile rilevare che il motoscafo aveva alcuni difetti, in particolare una parte posteriore deportante, che lo portavano ad essere particolarmente instabile e con una tendenza a ribaltarsi.

Essenzialmente, l’obiettivo principale era rappresentato dall’ottenere il momento di pitch negativo caratterizzato dalla collocazione del centro di pressioni dietro al baricentro CG.

Sul motoscafo erano inoltre presenti alcune zone di parziale distacco della vena fluida (si veda figura sotto): la loro presenza avrebbe portato ad una perdita di efficienza del natante e una conseguente riduzione della velocità massima raggiungibile.

grafico natante1
Sono state pertanto suggerite alcune modifiche, poi realizzate in collaborazione con la committenza, che hanno consentito di migliorare il comportamento del natante e di aumentarne del 30% la portanza, risolvendo così il problema di instabilità.

Vantaggi


Grazie alla collaborazione con Asotech, Baruffi Composites Solutions ha ottenuto un natante che consentirà di gareggiare in completa sicurezza nel campionato di motonautica inshore.

Le modifiche suggerite, derivate da una scrupolosa attività di analisi CFD, hanno consentito di ottenere una portanza del 30% superiore e un aumento del 5% delle prestazioni, in termini di velocità e minori consumi, rispetto ai modelli della concorrenza.

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