R. Broglia@, R. Muscari@2 e A. Di Mascio@3. Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale, (INSEAN).
Analisi Fluidodinamica di Scafi in Manovra
L’ostacolo all’uso di questa metodologia risiede negli elevati tempi di calcolo necessari per una simulazione di uno scafo completo, dotato di appendici e di propulsore, durante una manovra.
Il gruppo di fluidodinamica numerica dell’Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale ha sviluppa-to, nel corso degli anni, un codice di calcolo per la simula-zione del flusso attorno a carene in manovra. L’algoritmo è basato su una discretizzazione ai volumi finiti delle equazio-ni di Navier–Stokes incomprimibili, su reticoli di tipo “Chi-mera”, che consentono sovrapposizioni parziali e variabili nel tempo dei differenti blocchi che compongono la griglia computazionale, calcolando i valori nei punti appartenenti alle zone di sovrapposizione combinando i contributi di tutti i blocchi che lì si sovrappongono. L’applicazione permette, ad esempio, l’analisi di corpi in moto, oppure della risposta di uno scafo alla deflessione di un’organo di controllo. Il solutore numerico è pertanto in grado di predire la manovra (traiettoria, moti nave) di scafi di superficie e sottomarini, tramite la risoluzione del campo fluidodinamico attorno alla carena.
Una volta validata la correttezza dei risultati generati dal codice, per renderlo praticamente utilizzabile si è reso necessario affrontare il problema dei tempi di calcolo. Il L’analisi della manovrabilità è una tra le problematiche più
interessanti nell’ambito dell’idrodinamica navale, dato che una accurata valutazione delle capacita di manovra di una nave è di fondamentale importanza ai fini della navigazione in sicurezza. Inoltre, lo studio della manovrabilità è impor-tante per la certificazione dello scafo in quei casi in cui l’accesso in alcune strutture portuali, o in canali o in parti-colari mari è permesso solo se sono rispettati determinati standard, come la capacità di compiere determinate mano-vre in acque ristrette e/o basse.
Le metodologie per l’analisi della manovrabilità spaziano da metodi puramente teorici/statistici, a tecniche sperimentali o di simulazione numerica. Le metodologie teorico/statisti-che, molto usate soprattutto in ambito cantieristico, forni-scono risposte in tempi brevi e possono essere impiegate anche nella fase progettuale dello scafo, ma soffrono dell’im-possibilità intrinseca di specializzare lo studio allo scafo in esame. La metodologia sperimentale è costosa in termini di impianti (bacini e/o vasche navali di notevoli dimensioni) e di tempi necessari ad un’indagine completa, e difficilmente sono applicabili nella fase progettuale dello scafo.
L’analisi della manovrabilità tramite tecniche numeriche consente analisi estremamente dettagliate del campo fluidodinamico attorno alla carena, già in fase progettuale.
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supporto del CASPUR in questa fase è stato cruciale: per l’abbattimento dei tempi di calcolo su singolo processore, e per la parallelizzazione. L’approccio di parallelizzazione scelto è di tipo misto, a memoria condivisa tra i processori contenuti nel nodo di calcolo (tramite lo standard OpenMP) ed a memoria distribuita per utilizzare più nodi (per mezzo dello standard MPI). In problemi particolari nei quali lo scambio di dati tra processi diversi è eccessivamente one-roso, parte delle comunicazioni sono evitate utilizzando, su nodi di calcolo multiprocessore, le direttive OpenMP. A titolo di esempio, nella Figura 1 viene riportata la vista prospettica da pruavia della griglia di calcolo1 utilizzata per
l’analisi della manovrabilità di una nave porta container, ed un dettaglio della zona a poppa, con la presenza di un blocco per la modellizzazione del propulsore, e del timone di mano-vra; la possibilità di utilizzare reticoli con parziale sovrappo-sizione, oltre a ridurre notevolmente i tempi per la genera-zione del reticolo, permette l’inclusione di appedici quali il timone e il propulsore con estrema facilità, pur mantenendo un elevato grado di qualità del reticolo, in termini di unifor-mità di distribuzione di punti e ortogonalità della griglia.
Nella Figura 2 è riportata la soluzione numerica; sulla su-perficie della carena è rappresentato il campo di pressione, mentre sulle sezioni trasversali e verticale è rappresentato il campo di velocità assiale. L’elevata qualità della soluzione numerica è mostrata del fatto che i campi di pressione e di velocità sono ben risolti sin nei dettagli, come ad esempio nello strato limite del fluido in contatto con la superficie scafo. Dalle figure è altresì evidente come il solutore sia in grado di simulare la presenza dell’elica; in particolare gli effetti di accelerazione sul flusso dovuti alla spinta dell’elica sono evidenziati da linee di velocità assiale di colore rosso. Si può inoltre notare come la rotazione dell’elica generi un moto rotatorio del flusso, che colpisce la parte superiore del timone sul lato a tribordo (zone di colore rosso del campo di pressione) e la parte inferiore sul lato a babordo.
L’utilizzo del calcolo parallelo e la collaborazione con il CASPUR ha consentito di produrre un’applicazione non solo computazionalmente potente ed efficiente, ma anche sufficientemente flessibile da essere realisticamente utilizza-bile in una varietà di problemi, suscitando l’interesse della comunità internazionale.
Fig. 1 Griglia sulla superficie della carena, e particolare della poppa.
Fig. 2 Vista da pruavia del campo fluidodinamico, e particolare della regione del timone.
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