SUPERYACHT 9
Estate 2006
Articolo estratto dalla nostra omonima rivista trimestrale dedicata alle imbarcazioni
più grandi e lussuose con fotografie, schede tecniche, articoli didattici,
ultime notizie e novità dal mercato
Sommario
Annuario
della nautica
Impressioni
di navigazione
Barche usate
Boatshow
Video Nautica
Articolo di
Mario Felli
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Ottimizzazione e sperimentazione:
le nuove frontiere della progettazione navale
Lo sviluppo di un progetto navale impone un'attenta valutazione
delle soluzioni tecniche volte a massimizzare le prestazioni dello scafo.
A partire dagli input progettuali, tipicamente legati alle
dimensioni, al volume, al dislocamento e alla velocità
massima di esercizio, la scelta della tipologia e della forma di
carena così come del sistema propulsivo e delle sue
appendici, si è spesso scontrata con aspetti riguardanti le
prestazioni idrodinamiche ed i requisiti di manovrabilità e
sicurezza. Ad esempio, la progettazione idrodinamica ha riguardato
essenzialmente gli aspetti legati alla riduzione della resistenza
all'avanzamento e della resistenza d'onda (v. articolo di A. Sinisi
"La carena tonda" su questo numero di Superyacht), utilizzando rimedi per
ridurre la rugosità superficiale dello scafo (saldature a
raso, sabbiature, vernici a basso coefficiente d'attrito, sistemi
di lubrificazione ad aria hanno portato ad una riduzione della
resistenza d'attrito intorno all'80% rispetto alle imbarcazioni
prodotte nel primo dopoguerra) e investigando su conformazioni di
scafo tali da rendere minima l'energia dissipata per la formazione
dei moti ondosi.
Sorgenti e livelli di rumore tipici di un Superyacht. Il
problema relativo alla riduzione di vibrazioni e rumore negli
alloggiamenti passeggeri (comfort e fatica acustica) e verso
l'ambiente esterno (inquinamento acustico) costituisce uno degli
obiettivi principali dei moderni approcci progettuali
Negli ultimi anni, tuttavia, la crescente esigenza di aumentare il
comfort di bordo, riducendo le emissioni di rumore così
come l'entità delle vibrazioni indotte e le oscillazioni
dello scafo, ha introdotto una crescente attenzione nei confronti
di questi aspetti, in particolare per quanto riguarda
l'interazione con il propulsore e la profilatura delle appendici
di carena. L'inglobamento di tali aspetti nelle specifiche di
progetto presenta numerosi vantaggi legati principalmente alla
possibilità di modulare i requisiti di comfort con i tipici
parametri prestazionali dell'imbarcazione (minima resistenza,
efficienza propulsiva, manovrabilità), intervenendo sulle
possibili soluzioni direttamente all'interno del processo di
ottimizzazione. In questo modo si evita di ricorrere a rimedi a-
posteriori per "sanare" eventuali non rispondenze
dell'imbarcazione finita alle specifiche di progetto, rimedi del
tutto empirici dettati dall'esperienza del progettista e spesso
causa di un aumento dei costi di costruzione oltre che di ritardi
sui tempi di consegna.
In questo scenario la progettazione assume sempre più i
connotati di un processo di integrazione e mediazione tra esigenze
e soluzioni operative spesso contrapposte, in cui è
necessario tener conto simultaneamente di tutte le problematiche
relative al sistema nave. Tale percorso costituisce un punto
critico del progetto di un'imbarcazione in cui il controllo di
dette problematiche non è spesso possibile da un punto di
vista pratico. I problemi strutturali non possono essere disgiunti
da quelli idrodinamici di tenuta al mare e resistenza
all'avanzamento, come quelli di gestione operativa della nave non
possono essere considerati separatamente da quelli legati al
comfort e alle prestazioni.
Misura del profilo d'onda sulla configurazione iniziale
e ottimizzata del bulbo prodiero. La carena ottimizzata risulta
avere una ridotta resistenza (minori pressioni sul bulbo) ed una
formazione ondosa più contenuta
Nel passato il raggiungimento dei requisiti progettuali è
stato unicamente basato sull'esperienza e l'intuito del
progettista con un approccio interattivo "trial and error" che,
tuttavia, a fronte di una ricaduta negativa su costi e tempi di
sviluppo ed analisi delle varie alternative, non garantiva il
raggiungimento di una soluzione ottima. Questa circostanza ha
gettato le basi per lo sviluppo di un nuovo approccio progettuale
in cui il supporto di strumenti matematici e di calcolo permette
di affrontare il problema in maniera automatica, scandagliando
tutte le possibili alternative fino al raggiungimento di una
soluzione "ottima". Il problema della progettazione si
trasferisce, dunque, nell'isolamento di un insieme di variabili
che caratterizzano il fenomeno, nella scelta e
nell'implementazione di un algoritmo di ottimizzazione,
nonché nell'analisi delle prestazioni finalizzata alla
verifica della rispondenza con i requisiti progettuali. Tale fase
costituisce un complesso e articolato processo in cui l'esperienza
del progettista non può prescindere dal supporto sinergico
della sperimentazione in Vasca Navale e dall'ausilio di codici
numerici dedicati.
Prove di tenuta al mare eseguite presso il bacino
rettilineo dell'INSEAN. Lo studio dell'impatto di sistemi ondosi
con lo scafo riveste una grande importanza per aumentare i livelli
di sicurezza e di comfort a bordo
Su questa sinergia si fondano i moderni approcci progettuali,
ereditati dal settore aerospaziale e a oggi diffusi soprattutto in
realtà di nicchia dell'ingegneria navale (barche da
competizione, imbarcazioni militari), in cui il processo di
ottimizzazione, basato sull'uso di codici numerici, viene
integrato dal supporto di avanzate tecniche sperimentali per la
loro validazione e la verifica delle prestazioni. Gli algoritmi di
ottimizzazione utilizzati nel passato sono stati prevalentemente
concentrati nella soluzione di problemi isolati, non considerando
il miglioramento del sistema nave nel suo complesso ed eventuali
effetti derivanti da soluzioni "conflittuali". Il punto debole di
tale approccio è, dunque, una visione parziale delle azioni
e degli effetti indotti sul sistema nave, trascurando possibili
interazioni tra soluzioni "conflittuali".
A tale riguardo il caso delle alette antirollio e delle pinne
stabilizzatrici può essere preso come esempio di quanto
importante sia affrontare globalmente tutti gli aspetti
progettuali ed operativi del sistema nave: il dimensionamento di
tali appendici va ragionevolmente realizzato guardando non solo
all'ottimizzazione delle prestazioni dell'imbarcazione in termini
di stabilità ma dovrà, ad esempio, riguardare anche
gli effetti idrodinamici (legati all'aumento della resistenza
all'avanzamento) e propulsivi (eventuali interazioni tra i vortici
rilasciati dalle alette e dalle pinne stabilizzatrici con il
propulsore). Un altro tipico esempio di interazione conflittuale
tra requisiti progettuali è il cosiddetto fenomeno del
"whipping", che si riferisce ad un fastidioso fenomeno risonante
determinato da piccoli ma continui impatti della poppa con la
superficie dell'acqua. L'effetto del "whipping" è
particolarmente evidente quando l'imbarcazione è ferma: in
questa situazione i sistemi di controllo attivi sono completamente
inefficienti e solo un'efficace disegno della poppa può
ridurre tale fenomeno. Tuttavia l'ottimizzazione deve tener conto
principalmente delle prestazioni della nave in navigazione e
pertanto le due opposte tendenze di alzare la posizione del
transom per ridurre tali vibrazioni e di abbassarlo per aumentare
le prestazioni debbono essere affrontate con una filosofia di
progetto globale volta all'ottimizzazione. Nello stesso modo vanno
citati casi in cui lo scafo ottimizzato idrodinamicamente,
minimizzandone la resistenza all'avanzamento e i moti verticali,
registrava tuttavia una netta riduzione dell'efficienza
propulsiva, con una ricaduta negativa in termini di prestazioni.
In questi ultimi anni i ricercatori dell'INSEAN (Istituto
Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale) hanno
sviluppato sofisticati strumenti di calcolo automatico per
l'ottimizzazione idrodinamica delle navi, considerando il sistema
nave come un insieme di sottoproblemi idrodinamici accoppiati che
riescono a modellizzare globalmente ed efficacemente la
complessità delle interazioni tra l'ambiente marino e
l'imbarcazione.
Con questo approccio le caratteristiche richieste per un nuovo
progetto, definite in termini di obiettivi (ad esempio riduzione
della resistenza d'attrito e di forma, aumento dell'efficienza
propulsiva, miglioramento delle prestazioni in manovra e/o in mare
agitato, diminuzione delle accelerazioni, riduzione di moti di
larga ampiezza) e vincoli operativi di tipo geometrico (es. dimensioni
dell'imbarcazione, dislocamento, volumi per il payload.) e funzionale
(es. altezza massima del profilo d'onda, minima distanza tra le strutture
vorticose delle alette stabilizzatrici dall'asse del propulsore),
vengono descritte mediante un'espressione matematica
detta funzione obiettivo. In questo modo è possibile
analizzare in maniera automatica tutte le migliori configurazioni
che soddisfano gli obiettivi progettuali, nel rispetto dei vincoli
operativi e a partire da una configurazione geometrica iniziale
dello scafo. Naturalmente il numero di soluzioni del problema di
ottimizzazione dipenderà dal numero e dalla tipologia degli
obiettivi e dei vincoli imposti. In alcuni casi in particolare il
problema di ottimizzazione non avrà soluzione e sarà
dunque necessario scendere a soluzioni di compromesso,
rimodellizzandone parzialmente gli obiettivi o i vincoli,
soluzioni che tuttavia vengono formalizzate e valutate nella
realtà virtuale della simulazione CFD, e, dunque, con una
ricaduta trascurabile sui tempi e costi di progettazione. Una
panoramica più dettagliata degli aspetti riguardanti il
progetto di una nave e la relativa verifica sperimentale
verrà fornita nel prossimo numero di "Superyacht",
attraverso la descrizione delle principali problematiche e
metodologie con le quali si scontra lo sviluppo di un algoritmo di
ottimizzazione e delle più avanzate tecniche sperimentali.
Riduzione della resistenza totale di una carena
ottimizzata (andamento in blu) rispetto al disegno originale
(andamento in rosso)
GLOSSARIO
Anemometria Laser Doppler. Tecnica sperimentale per la misura del
campo di velocità in un mezzo fluido. L'anemometro Laser
Doppler è uno strumento ottico che consente di misurare
puntualmente il campo di velocità in un fluido con
un'elevata accuratezza e senza perturbare il campo di moto.
CFD. La CFD è una disciplina della fisica applicata nata
intorno agli anni '60, il cui nome è l'acronimo inglese di
Computational Fluid Dynamics, vale a dire Fluido Dinamica
Computazionale. Come risulta evidente dal nome si tratta dello
studio, tramite l'uso del calcolatore, della dinamica di un
fluido, nel quale possono essere presenti fenomeni fisici quali lo
scambio termico, l'irradiazione acustica, la trasmissione di
vibrazioni, la cavitazione ecc.
Validazione. La validazione dei modelli CFD è la verifica
sperimentale dei risultati ottenuti attraverso la simulazione
numerica di un assegnato problema ingegneristico. Questo processo
di "certificazione" della qualità della simulazione viene
tipicamente realizzato confrontando i valori delle variabili di
output del modello numerico con quelli misurati sperimentalmente,
nelle stesse condizioni operative e in punti corrispondenti del campo.
Whipping. Fenomeno idroelastico dovuto all'impatto della poppa con
la superficie dell'acqua che induce una vibrazione risonante sullo
scafo. Tale fenomeno provoca delle flessioni longitudinali dello
scafo (figura sotto) che si ripercuotono negativamente sul comfort a bordo.
Deformazione di uno scafo a seguito del fenomeno del
"whipping" (la deformazione è stata esasperata per meglio
descrivere il fenomeno)
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