Stand Up Paddleboard: nuove linee “CFD- based” per un progetto made in Italy
Simone Bartesaghi
Quando si progetta nuovi prodotti con obiettivo di essere prodotti “cutting-edge” è necessario utilizzare le tecnologie più all’avanguardia disponibili al momento di inizio del progetto stesso. In questo caso, grazie allo sviluppo tecnologico avvenuto negli ultimi decenni, che ha portato in ogni casa computer da prestazioni elevatissime, è possibile utilizzare tecniche di simulazione numerica avanzate anche per lo sviluppo prodotto di oggetti dei quali era improponibile, nel passato, pensare di analizzare, ad esempio, le prestazioni fluidodinamiche mediante codici Computational Fluid Dynamics (CFD).
Nel presente articolo si mostra l’applicazione della CFD per lo sviluppo di un nuovo SUP per utilizzo in acqua piatta (flat-water).
Stand Up Paddleboard: introduzione
Lo Stand Up Paddleboard (SUP) è una forma di tavola da surf ancestrale: secondo gli scritti di James Cook, è possibile ritrovare questa forma di tavola ed il suo utilizzo già nel 1778 alle isole Hawaii, dove si narra che alcuni nativi erano soliti a navigare in posizione eretta su grosse tavole. Sostanzialmente una tavola da SUP è l’evoluzione di una long-board classica utilizzata per fare surf, dove l’utilizzatore fornisce movimento e direzionalita in virata alla tavola mediante l’uso di una pagaia.
Nei giorni d’oggi, il SUP è uno sport acquatico in enorme crescita, in quanto unisce relativa facilità di utilizzo con divertimento, e può essere utilizzato sia per passeggiate e fitness, sia per vere e proprie gare.
Questo sempre crescente interesse, soprattutto in ambito agonistico, ha portato amatori e atleti professionisti alla ricerca continua di nuove prestazioni, nuovi materiali come il carbonio, tavole sempre più evolute e leggere.
Architettura Navale
Nel progetto considerato, il design delle linee d’acqua del nuovo SUP è fondamentale per determinare l’utilizzo e il target di utenze alle quali il prodotto può essere rivolto. L’idea iniziale è stata quella di progettare un nuovo SUP adatto al “flat-water”, di dimensioni internazionali pari a 12’.6” (3.81 m), per un utilizzo misto amatoriale e racer.
Un SUP ideale per condizioni di “flat-water” non consente l’utilizzo in condizioni di onda, quindi in linea teorica, non richiede avere superfici portanti per consentire la planata e prue “wave-piercing” per attraversare senza problemi le onde stesse. Uno dei requisiti fondamentali è la capacità del SUP di mantenere la sua traiettoria e di percorrerla nel minor tempo possibile: in condizioni di acqua piatta è necessario progettare le linee d’acqua per consentire la riduzione di resistenza viscosa e di pressione data dall’onda formatasi in navigazione. Conseguentemente la superficie bagnata è un parametro progettuale da considerare nelle variabili di progetto. Un altro parametro progettuale che guida il design del SUP è la stabilità, molto importante per consentire all’utilizzatore di mantenere senza problemi la postura eretta ed utilizzare la pagaia senza perdita di equilibrio.
I dati progettuali di partenza per il design delle linee d’acqua del SUP sono riassunti di seguito:
Lunghezza massima pari a 3.81 m (12’6”);
Larghezza massima pari a 0.73 m;
Peso del SUP minore di 12 kg;
Design ideale per atleti con peso massimo fino a 80kg. Le linee d’acqua, di cui troviamo un esempio in Figura 1, sono tracciate per permettere un migliore scorrimento della tavola in acqua. Di pari passo alle linee d’acqua, la stabilità viene calcola per ottenere il miglior compromesso tra forme dello scafo e stabilità stessa. Ogni geometria sviluppata viene successivamente analizzata mediante CFD.
Simulazioni CFD
Le simulazioni CFD della tavola vengono effettuate con un codice Open-Source ai volumi finiti mediate approccio Reynolds-Average Navier Stokes (RANS). Aria ed acqua vengono simulate mediante un approccio Volume of Fluid (VOF), nel quale le due fasi, gassosa e liquida, coesistono ed essendo immiscibili, l’interfaccia che si crea tra loro definisce il pelo libero. Il modello di turbolenza considerato, k-epsilon, è a due equazioni le quali permettono la chiusura del sistema di equazioni di Navier-Stokes (NS).
Un’ulteriore equazione viene risolta per determinare la posizione del pelo libero. Il SUP viene considerato come corpo rigido e le simulazioni sono state effettuate mantendo fisso il corpo (captive analisys – 0 DoF) per ottenere risposte rapide sui parametri di progetto. La griglia di calcolo viene generata medianti script automatici che generano a loro volta la discretizzazione del volume considerato in elementi hexa-dominant partendo dalla definizione della geometria di interesse in formato di interscambio STL. Blocchi di raffinamento di griglia controllato vengono utilizzati per la discretizzazione del volume attorno alla geometria e in corrispondenza della posizione del pelo libero. L’output della fase di generazione di griglia è una mesh hexahedral non conforme. Tre velocità per ogni scafo sono state testate: 3-5-6.5 nodi. La Figura 2 mostra la resistenza totale (Drag) rapportata alla resistenza della prima geometria testate, per ogni velocità considerata, di alcuni candidati alla prototipazione finale. In Figura 3, 4, 5 si riporta la formazione ondosa, la distribuzione della componente di frizione (Shear Stress) e la distribuzione della pressione depurata dalla componente idrostatica.
Costruzione
L’approccio progettuale nella realizzazione di questo SUP è stato quello di utilizzare le tecniche costruttive e i materiali già impiegati nella realizzazione delle imbarcazioni da regata.
Il sistema classico utilizzato per realizzare delle tavole in generale, che siano SUP, Surf o WindSurf, è sempre stato il medesimo e consiste nel modellare un blocco di polistirolo fino ad arrivare alla geometria di progetto, con irrigidimento superficiale dato strati di vetroresina o carbonio che avvolgono il polistirolo stesso.
Le tecniche di lavorazione delle imbarcazioni prevedono invece l’utilizzo di stampi aperti nel quale vengono laminati strati di vetroresina/carbonio con strutture single skin o sandwich; l’interno degli scafi per ovvie ragioni di entità dei volumi sono vuote e il collegamento strutturale tra coperte e scafi avviene tramite paratie e strutture ad anello in espanso e vetroresina/carbonio. L’innovazione nella realizzazione di questo SUP da parte di Face srl sta nel trasferire queste tecnologie di appartenenza a prodotti di grandi dimensioni a prodotti più piccoli come il SUP in questione.
Il piano di laminazione della tavola è stato studiato ed ottimizzato in base all’esperienza fatta sulla realizzazione di skiff e catamarani da regata; per tali tipologie di imbarcazioni infatti sono impiegati i materiali e le strutture più leggere. Lo scafo è realizzato interamente in sandwich salvo la ruota di prua e della zona di incollaggio della scassa di deriva che risultano essere in single skin. Le strutture a sandwich sono utilizzate per ridurre i layer di fibra e alleggerire il peso del laminato senza ridurre la rigidità del pezzo. Le superfici della coperta sono invece suddivise in zone sandwich e single skin secondo i differenti sforzi cui sono sottoposte; infatti, se per lo scafo si può approssimare che tutta la superficie sia sottoposta alla stessa pressione da parte dell’acqua sottostante, sulla coperta si ha la zona in cui l’atleta cammina con sforzi molto diversi da zona a zona. La struttura è realizzata con tecnologia di laminazione manuale e compattazione sottovuoto. Tale tecnica è la più indicata per la realizzazione di manufatti con alte resistenze meccaniche e bassi pesi. Nelle Figure 6, 7, 8 si mostra la parte finale della fase costruttiva, la finitura del prodotto e la messa in acqua del SUP.
Test in acqua
I test in acqua sono stati effettuati utilizzando il primo prototipo costruito, in condizioni di acqua piatta. Nella Figura 9 sono presentati i risultati delle acqusizione tramite GPS di tre test: la grandezza di interesse monitorizzata è la velocità di navigazione. Come si vede dai grafici, durante la pagaiata in acqua piatta, le velocità medie si aggirano intorno ai 5 nodi, con delle punte di massima attorno ai 6 nodi. Successivamente ai test in acqua piatta, si è svolta una giornata di test in presenza di onda per verificare la tenuta a mare del design, la stabilità e le performance in down-wave.
Conclusioni
Mediante l’utilizzo di strumenti di simulazione è stato possibile analizzare le performance di un prodotto e di sviluppare l’oggetto utilizzando le informazioni ricavate dalle simulazioni stesse. La successiva costruzione del prototipo e i primi test in acqua hanno portato alla verifica dei parametri progettuali in termini di performance.
Ringraziamenti e Riferimenti
FACE srl di Dervio (LC) è il cantiere proprietario della tecnologia costruttiva e si è occupata interamente della realizzazione del primo prototipo, messa in acqua e test preliminari di utilizzo e sviluppo prodotto in acqua. Per informazioni:
http://www.facemarine.it/