Conclusioni
Il lavoro svolto aveva lo scopo di costruire una procedura iterativa, che consentisse il calcolo della configurazione di equilibrio della vela sotto carico, per alcune condizioni di navigazione, e dei relativi coefficienti aerodinamici. Si è definito un modello applicabile a vele da diporto, per le quali fossero accettabili alcune ipotesi specifiche, come la rigidezza a flessione nulla e l’inestensibilità del materiale. Questi presupposti, insieme a metodologie di ottimizzazione e di analisi fluidodinamica, hanno consentito di costruire una procedura più snella e veloce, rispetto a quelle che utilizzano metodi agli elementi finiti. L’aspetto più interessante del presente studio è infatti quello di avere usato il lavoro delle forze esterne per la stima della flying shape. Un altro pregio del lavoro è quello di essere capace di interfacciarsi con il software FLUENT, per l’analisi fluidodinamica: ciò ha reso possibile una stima sufficientemente accurata delle pressioni di esercizio della vela.
6.1
Versioni successive del programma
Nello sviluppare il programma sono state necessarie varie modifiche. Esse sono state introdotte sia per rispondere ad esigenze che sono andate chiarendosi durante le prime prove, sia per tentare di inserire parametri di progetto più rispondenti al caso in esame.
Una serie iniziale di prove è stata spesa per verificare che la procedura funzionasse e che vi fosse corrispondenza tra quello che il programma avrebbe dovuto fare e ciò che realmente faceva. Ci si riferisce sostanzialmente ad errori logici all’interno della programmazione, effetti inattesi e incompatibilità tra versioni aggiornate di alcuni file ed altre routine.
Nella prima versione del programma, la vela era inserita e lasciata invariata, senza possibilità di modificare l’angolo d’assetto rispetto all’asse della barca. Il controllo era solo su direzione ed intensità del vento, e la condizione di vincolo era quella di ralinga e base fisse, senza possibilità per i nodi di spostarsi lungo questi bordi. Questa schematizzazione aveva il vantaggio di escludere dall’ottimizzazione i nodi dei bordi e permetteva di ridurre il numero di equazioni coinvolte nella ricerca della forma di equilibrio sotto carico, ma presentava alcuni problemi, specie sul calcolo della deformata. Introduceva infatti spostamenti dei nodi con forti perturbazioni.
Successivamente si è introdotto il controllo sull’assetto della vela in assi-barca, ovvero si è reso possibile ruotare rigidamente la vela intorno al suo strallo o alla congiungente mura-penna.
Quindi si sono scritte le equazioni di vincolo per i casi relativi alle possibili combinazioni: ralinga e base fisse, ralinga fissa e base libera, vincoli solo sulle bugne. Quando possibile si è attivata la scelta sul vincolo della bugna collegata alla scotta: essa può essere fissa, quindi mantenere l’angolo di assetto della vela costante, oppure mobile sulla sfera, con centro definito dalle coordinate del bozzello e passante per la posizione della bugna stessa nella configurazione iniziale. Con questa tecnica si è simulato il comportamento della vela ad assetto o lunghezza di scotta costante durante tutta la procedura iterativa.
Il tentativo di simulare il vincolo della scotta è stato definito in tal modo per poter utilizzare i file ed i parametri già presenti, ma non è risultato molto pratico, dato che la lunghezza di scotta, definita ruotando rigidamente la vela, può risultare eccessivamente lunga e creare la condizione di vela sventata.
Si è modificato allora il modo per selezionare la lunghezza di scotta, procedendo come segue:
Si seleziona un assetto δ nella fase iniziale di scelta della vela Si ruota rigidamente la vela per ottenere l’assetto δ scelto Quindi nella fase di scelta dei parametri di ottimizzazione:
o Si sceglie l’opzione di vincolo della vela.
o Si attiva la scelta che permette alla bugna di muoversi collegata alla scotta su una superficie sferica.
o Si stabilisce in assi-barca la posizione del bozzello.
o Si attiva il push-button che stima la lunghezza della scotta relativa all’assetto δ selezionato all’inizio e alla posizione del bozzello impostata.
o Si sostituisce il valore con uno inferiore o superiore.
Tale impostazione ha vincolato la bugna ad una distanza dal bozzello diversa da quella associata alla semplice rotazione rigida della vela. Le deformate così ottenute rispettano la nuova condizione sulla lunghezza della scotta, selezionabile adesso in modo esplicito. Se la condizione iniziale e quella desiderata differiscono molto, ci si deve aspettare, nella prima fase di ottimizzazione, grandi spostamenti. Inoltre se la lunghezza è
risultato con una violazione finita dei vincoli. L’interruzione del calcolo iterativo di ottimizzazione viene comunque gestita dai criteri di convergenza alternativi.
Uno sviluppo futuro del programma dovrebbe porsi come obiettivo di semplificare questo approccio, attualmente complicato dalla necessità di operare il minor cambiamento possibile alle routine preesistenti.
6.2
Potenzialità del metodo
Assegnato il file della vela, così come è stata disegnata dal velaio, il programma è in grado di elaborare la superficie, per simulare una posizione ed un assetto qualunque rispetto agli assi barca. L’operatore può traslare la vela, ruotarla rigidamente intorno allo strallo, farle assumere un angolo di assetto qualunque. Inoltre è possibile distinguere tra diverse tipologie di vela, ai fini della loro rotazione intorno allo strallo (fiocchi), ad un asse verticale (spinnaker) o alla congiungente mura – penna comunque inclinata (gennaker).
La procedura consente inoltre di simulare diverse condizioni di vincolo, che condizionano la soluzione del processo di ottimizzazione.
L’algoritmo di ottimizzazione è risultato affidabile, in quanto non ha mai prodotto procedure di calcolo che si siano instabilizzate, rimanendo nell’ambito di soluzioni che verificano dei criteri di tolleranza accettabili.
La scelta di usare GAMBIT e FLUENT per l’analisi fluidodinamica ha comportato risultati analoghi a quelli noti in letteratura. Inoltre è possibile modificare i file journal che controllano tali software, cambiando la scelta del solutore e dei parametri. Un’analisi più attenta sulla generazione della mesh può quindi essere implementata, migliorando i risultati o adattando il programma a situazioni diverse. In particolare si può inserire un modello che riproduca le condizioni al contorno di una galleria del vento, consentendo un confronto tra analisi numerica e sperimentale. Una tale eventualità consentirebbe di migliorare i settaggi per l’analisi fluidodinamica.
Nell’ambito di vele da diporto, con caratteristiche analoghe a quella studiata, si può estendere la procedura anche a rande e fiocchi, purché sia accettabile l’approssimazione di rigidezza a flessione nulla. In tale caso si può simulare anche un albero, sia come ostacolo inserito nel campo aerodinamico, sia come componente elastico e quindi sensibile ai carichi. Il primo aspetto si definisce in ambito di scrittura del file journal destinato a GAMBIT, il secondo richiederebbe modifiche nel modello di ottimizzazione. Si tratterebbe infatti di aggiungere nuove condizioni di vincolo per i nodi della ralinga, imponendo spostamenti
sotto carico compatibili con quelli della trave elastica su cui essi poggiano. Inoltre si dovrebbe conteggiare anche l’energia spesa per la deformazione dell’albero.
Il tempo di calcolo per una sessione è risultato complessivamente non gravoso, impiegando circa 8 ore su un personal computer di capacità standard e dal costo medio-basso sul mercato attuale.
Il programma, in fase di scrittura, è stato pensato per acquisire e gestire più vele. L’acquisizione e la fase di definizione in assi barca, il salvataggio di variabili associate alle vele (posizione nodi, tipologia, sigla, angoli caratteristici), la fase di ottimizzazione, sono inserite all’interno di cicli for che applicano la procedura a tutte le vele acquisite dal programma, permettendo la gestione di combinazioni di più vele e gestendo le singole operazioni in modo consono alle singole tipologie di vele. Non è stata provata la procedura in tale caso, perché non è stato studiato un file journal per GAMBIT e FLUENT relativo al caso di più vele. Un’estensione in questo senso non richiede molti interventi sul programma, che è nelle sue parti principali già predisposto ad hoc.
La disponibilità di interfacce grafiche ed il tempo di calcolo non eccessivo rendono la procedura applicabile in una realtà di piccola-media impresa, dedicata alla progettazione e alla realizzazione di vele da diporto.
6.3
Sviluppi futuri
Attualmente il programma lavora utilizzando due file journal predefiniti, che sono stati scelti dopo varie prove ed utilizzati per costruire gli editor relativi. Essi utilizzano comandi di MATLAB quali fprintf, e la loro eventuale sostituzione richiede tempo. Sarebbe perciò utile avere una procedura che legga direttamente un file journal esterno qualunque. L’operatore dovrebbe così solo indicare con un’interfaccia grafica quale riga il programma è autorizzato a modificare ad ogni iterazione. Una procedura di questo tipo dovrebbe escludere o interagire parzialmente con la fase di scelta dei parametri attualmente in uso, e renderebbe il programma più flessibile. Sarebbe anche più semplice applicare la metodologia di calcolo al caso di più vele: al programma competerebbe il posizionamento delle vele, al file journal esterno la costruzione della mesh e la fase CFD.
La possibilità di inserire profili del vento che tengano conto dello strato limite terrestre consentirebbe poi un calcolo più rispondente alla realtà.
Un miglioramento ulteriore potrebbe derivare da una metodologia di ottimizzazione con un metodo SQP (Sequential Quadratic Programming) aggiornato.
Potrebbe essere interessante inoltre, verificare schemi strutturali diversi, ad esempio utilizzando griglie di aste rigide disposte in modo da formare triangoli anziché elementi quadrangolari, o ancora sviluppare una campagna di prove per validare il programma in galleria del vento.
Sarebbe altresì utile completare la fase di post-processing, migliorando lo studio delle caratteristiche della superficie ottenuta e la visualizzazione dei risultati.
Una procedura di questo tipo potrebbe essere, infine, interfacciata con programmi di valutazione della velocità di uno scafo: si otterrebbe così un approccio in grado di coinvolgere sia la fase aerodinamica che idrodinamica.
