Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Nautica

Progettazione navale e soluzioni Open-Source su piattaforme HPC

Raffaele Ponzini, Roberto Pieri, Francesco Pasqua

Questo lavoro presenta una serie di soluzioni sviluppate da SCS e CINECA nel corso di diversi progetti di collaborazione scientifica nell’ambito della progettazione CAE per l’ingegneria navale. In particolare, in questo articolo si vuole dare una panoramica delle possibilità oggi disponibili per gli studi di progettazione che cercano soluzioni con un alto bilancio costi/benefici sfruttando il meglio della tecnologia Open-Source abbinata a piattaforme di calcolo ad alte prestazioni. Il focus dell’articolo è pertanto rivolto ai codici di fluidodinamica computazionale (CFD) basati su modelli Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) che oggi, grazie all’evoluzione dei codici open-source ed alla crescente disponibilità di piattaforme HPC, possono essere utilizzati con profitto per la progettazione di componenti in ambito navale.

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Oggi più che mai i progettisti di tutto il mondo cercano soluzioni tecnologicamente avanzate con un elevato rapporto tra costi e benefici. Nell’era dei Big Data e del Cloud Computing l’integrazione di soluzioni all’avanguardia con i flussi di lavoro standard diventa sempre più un’esigenza per soddisfare la richiesta pressante di innovazione e tecnologia nello sviluppo del prodotto. Per questo motivo il processo di virtualizzazione degli strumenti di progettazione sta sempre più velocemente coinvolgendo tutti gli ambiti industriali. Anche nella nautica, in cui per lungo tempo la progettazione si è svolta utilizzando solo strumenti consolidati, quali ad esempio le tabelle numeriche per i progetti a più basso budget e la vasca navale per quelli ad elevato budget, si sta rapidamente intraprendendo l’adozione degli strumenti in grado di supportare in maniera efficiente i suoi bisogni. Nella sostanza quello che prima veniva valutato attraverso competenze tecniche (expertise), tabelle numeriche e formule euristiche (eventualmente abbinate ad un limitato numero di prove sperimentali) oggi viene dapprima studiato in un ambiente totalmente virtuale e poi eventualmente verificato con prove in vasca navale. È ormai sempre più chiaro che, con l’aumento della potenza di calcolo disponibile, le analisi tridimensionali (3D) con codici CFD RANS vanno affermandosi come standard de facto in  ambito navale grazie alla loro duttilità e alla capacità di gestire geometrie complesse (scafi, eliche, vele, appendici, ecc.) e applicabili ad un ampio spettro di problemi fluidodinamici (flussi attaccati o separati, monofase o multifase, cavitazione, ecc.). L’utilizzo dei metodi RANS all’interno di campagne di progettazione navale, siano esse di grandi o piccole dimensioni, risulta particolarmente appetibile quando sfrutta tecnologie all’avanguardia basate sull’open-source, svincolando il progetto dai limiti dei costi delle licenze software, e piattaforme di calcolo ad alte prestazioni (HPC) per superare le limitazioni legate ai tempi di calcolo con codici RANS 3D.

Già dal 2012, presso CINECA [1], sono stati effettuati studi di fattibilità strutturati [2] in collaborazione con studi di progettazione navale in ambito racing per la valutazione di OpenFOAM [3] (Open source Field Operation And Manipulation). OpenFOAM è una libreria open source che include non solo gli strumenti per la risoluzione delle equazioni della dinamica dei fluidi, ma contiene al suo interno anche le applicazioni di pre/post processing richieste per un trattamento completo di un problema CFD, fornendo così uno strumento completo per rispondere alle esigenze del progettista CAE. Alla luce dei risultati incoraggianti ottenuti in questi studi di valutazione, per soddisfare le richieste legate alla progettazione di scafi, insieme con personale SCS [4], è stato avviato nel giugno 2014 uno studio di fattibilità per valutare come applicare queste metodologie anche allo scenario dei catamarani di Classe-C [5]. A valle di queste attività sono stati poi messi a punto e validati dei solutori in grado di affrontare dei problemi di idrodinamica navale (free sink and trim, 2 DoF) tipicamente correlati con studi per la progettazioni di imbarcazioni a motore da di diporto e di yacht.

Validazione del solutore dinamico

Come per ogni strumento di progettazione, anche il solutore CFD dinamico va prima di tutto validato. Per la validazione di questo tipo di solutore abbiamo utilizzato uno scafo ampiamente studiato in letteratura e quindi ben documentato con dati di vasca navale (DELFT 372). I risultati analizzati per valutare la coerenza del solutore riguardano i valori di resistenza, affondamento (sink) e di assetto (trim) che lo scafo  raggiunge all’equilibrio in una determinata condizione di moto (andatura). Tra i molti disponibili in letteratura, si è scelto come riferimento il caso meglio documentato, ovvero l’analisi dello scafo singolo [6]. Questo è un test particolarmente severo per un solutore CFD in quanto lo scafo considerato ha una massa esigua (87 kg) e le andature considerate sono in un range di velocità tale da dover studiare anche stati di transizione fluidodinamica. Il disegno CAD dello scafo è rappresentato in figura 1.

 

Figura 1. Disegno CAD dello scafo DELFT 372. In rosso il centro di rotazione considerato per la dinamica e la linea d’acqua dell’assetto considerato che tiene conto della presenza della struttura per la prova in vasca.

Sono state effettuate simulazioni con numero di Froude (parametro adimensionale legato alla dimensione dello scafo ed alla sua velocità di avanzamento) compreso tra 0.4 e 0.8. 

Come è possibile notare dalle figure 2 e 3 la dinamica dello scafo durante il calcolo attraversa dapprima un regime di moto caratterizzato da elevate oscillazioni che vengono poi smorzate (dumping) dal solutore numerico al fine di trovare una soluzione di equilibrio finale (assetto di equilibrio) strettamente connesso con il regime di moto (numero di Froude) e con le caratteristiche di dislocamento dello scafo.

 

 

Figura 2. Validazione CFD dello scafo DELFT 372. Andamenti dinamici delle grandezze monitorate durante il calcolo della soluzione. TOP: sink (rosso), trim (blu). BOTTOM: sink-velocity (rosso), trim-velocity (blu).
Figura 3. Validazione CFD dello scafo DELFT 372. Andamenti dinamici delle grandezze monitorate durante il calcolo della soluzione: resistenza totale (rosso), resistenza viscosa e di pressione (blu), forza laterale (nero), forza verticale (verde).
Quando lo scafo raggiunge lo stato di equilibrio la simulazione può considerarsi conclusa. Il valore numerico associato con la soluzione di regime viene quindi valutato mediando i valori ottenuti in un intervallo di tempo stabilito dal progettista e solitamente compreso tra 5 e 10 secondi. In quell’intervallo di tempo solitamente le variazioni delle grandezze fisiche associate al calcolo hanno una variabilità al di sotto del punto percentuale. In figura 4 si mostrano i risultati della validazione effettuata in cui sono stati comparati i valori di resistenza, affondamento e inclinazione dello scafo al variare del numero di Froude. Gli andamenti delle curve sperimentali sono rispettati e anche i valori assoluti sono in molti casi aderenti. Si deve infatti notare che per certe grandezze (sink) i valori assoluti sono davvero esigui e quindi molto difficili da valutare con precisione durante le campagne sperimentali (elevata incertezza di misura) come ben documentato nella letteratura sul tema.

Figura 5 e figura 6 riportano delle visualizzazioni dei risultati ottenuti attraverso il solutore CFD utilizzato alle varie andature. In particolare  la figura 3 mostra la linea d’acqua sullo scafo mentre in figura 4 viene mostrata l’altezza dell’onda e le isolinee ad essa connesse.

Figura 4. Validazione CFD dello scafo DELFT 372. In grigio i valori ottenuti tramite la CFD, in arancione i valori sperimentali riportati in [6].

 

Figura 5. DELFT 372: visualizzazione della linea d’acqua ottenuta tramite calcoli CFD RANS 3D con 2 gradi di libertà (2DoF) a diversi numeri di Froude.

Figura 6. DELFT 372: visualizzazione dell’altezza dell’onda ottenuta tramite calcoli CFD RANS 3D con 2 gradi di libertà (2DoF) a diversi numeri di Froude.

Altri sviluppi più recenti delle attività svolte dal personale tecnico di SCS e di CINECA riguardano l’utilizzo di solutori CFD che permettano di gestire gli effetti della rotazione di elementi meccanici all’interno dei fluidi.

 

Figura 7. Rendering di un calcolo CFD con mesh rotante.

In figura 7 è possibile apprezzare un rendering dei risultati CFD ottenuti tramite un work-flow analogo a quello sin qui proposto, ma applicato al design di un’elica considerando nella modellazione anche l’effetto della rotazione del device all’interno del fluido. Questo tipo di applicazione è ancora in corso di validazione, ma i primi risultati sono estremamente incoraggianti e a breve sarà possibile utilizzarlo abbinato al solutore della dinamica dello scafo già presentato per effettuare studi complessi in cui le non linearità della fisica del problema accoppiato scafo/elica vengono affrontate e modellate in maniera congiunta e quindi estremamente realistica.

 

Conclusioni

Grazie al continuo e rapido sviluppo delle infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni è oggi possibile migliorare la progettazione in ambito navale utilizzando metodi CFD RANS 3D in grado di includere gli effetti della dinamica (2DoF) e/o della rotazione. 

Questi strumenti open-source, uniti con un’opportuna automazione sulle piattaforme di calcolo ad alte prestazioni, permettono di personalizzare il flusso di lavoro per conciliare vincoli di accuratezza, time-to-result e budget contenuto.

 

Riferimenti

[1] CINECA: http://www.cineca.it/ 

[2] Andrea Penza, Andrea Vergombello, Giorgio Provinciali, Roberto Biscontini, Raffaele Ponzini. Validazione di un codice open-source per la progettazione in ambito navale. Analisi e Calcolo n. 54, 2013.

[3] OpenFOAM - The Open Source Computational Fluid Dynamics (CFD) Toolbox, http://www.openfoam.com   

[4] SCS Italy: http://www.scsitaly.com/ 

[5] R. Ponzini, R. Pieri, P. Motta, A. Penza, F. Pasqua. Automazione di codici CFD Open-Source per la progettazione di scafi da competizione su piattaforme HPC: uno studio di fattibilità. Analisi e Calcolo n. 66, 2015.

[6] Castiglione et al. Effects of Shallow Water on Catamaran Interference. 11th International Conference on  Fast Sea Transportation FAST 2011, Honolulu, Hawaii, USA, September 2011.

 

Ringraziamenti

 Gli autori ringraziano Francesca Delli Ponti, SCAI - SuperComputing Applications and Innovation – CINECA, e l’Arch. Clarissa Valli per il supporto nella generazione delle immagini pubblicate in questo articolo attraverso tecniche di rendering e fotoinserimento realistico di dati provenienti da simulazioni fluidodinamiche computazionali.

 

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