Obiettivi

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• Realizzazione di algoritmi di ottimizzazione;

• Confronto con algoritmi precedentemente sviluppati sulla base di un problema test.

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Una delle tecniche più apprezzate per la riduzione del costo complessivo di un algoritmo di ottimizzazione prevede l'impiego di meta-modelli, ossia "modelli di un modello", in grado di sostituirsi, per esempio, ad un solutore fluidodinamico complesso, il cui costo in termini di tempo di calcolo è di diverse ore macchina. Tali meta-modelli risultano delle semplici funzioni analitiche, il cui costo computazionale è incomparabilmente inferiore rispetto a quello del modello originale. Una importante classe di meta-modelli è rappresentata dalle reti neurali, il cui impiego è stato preliminarmente verificato durante attività di ricerca precedenti. Tuttavia non sono state ancora sviluppate soluzioni alternative rispetto alle reti RBFN precedentemente impiegate. In una prima fase si verificheranno dunque alcuni approcci alternativi rispetto a quelli già impiegati, eventualmente estendendo i risultati ottenuti alla precedente implementazione. Infine, verrà definito un problema test sul quale effettuare un confronto dei risultati ottenuti in termini di efficienza e qualità del minimo globale rispetto ad altri algoritmi disponibili.

Obiettivi

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Il processo di intrappolamento di bolle d'aria risultante da fenomeni di rottura di onde di superficie è di notevole importanza per le sue conseguenze in termini di rumore idrodinamico. Nell'ambito di precedenti attività di ricerca è stato sviluppato un metodo di calcolo per la simulazione numerica di flussi bifase aria-acqua che consente di trattare in modo agevole i cambiamenti topologici che subisce l'interfaccia durante il processo di frangimento delle onde di superficie libera. Il modello, sviluppato per applicazioni bidimensionali, è stato utilizzato per lo studio degli effetti di scala nel processo di frangimento ed i cambiamenti indotti in termini di intrappolamento d'aria, del meccanismo di rottura e della produzione di vorticità. In particolare, sono stati studiati alcuni meccanismi di interazione tra vorticità e superficie libera che si manifestano nei processi di rottura alle scale più piccole. I risultati ottenuti numericamente sono in buon accordo con quelli sperimentali disponibili in letteratura anche se l'approssimazione di flusso bidimensionale, oltre a quella di bassi numeri di Reynolds, inibisce la frammentazione delle strutture vorticose nella direzione trasversale dando luogo a fluttuazioni di superficie libera di maggiore ampiezza. Al fine di comprendere gli effetti di instabilità trasversali sulla frammentazione di strutture vorticose e delle bolle d'aria intrappolate, si vuole estendere il modello di calcolo a problemi tridimensionali. A causa dell'elevato costo computazionale richiesto da queste simulazioni si rende necessario sviluppare il modello nell'ambito del calcolo parallelo a memoria distribuita (PC cluster). Sempre allo scopo di ridurre il costo computazionale, piuttosto che analizzare flussi quasi stazionari, è opportuno condurre questo tipo di analisi nel caso di rottura di onde generata attraverso la formazione di pacchetti d'onda. Per questo tipo di problema infatti la durata della simulazione e l'estensione del dominio di calcolo possono assumere valori più contenuti. A questo scopo tuttavia si rende necessario verificare, attraverso simulazioni numeriche bidimensionali, che tipo di condizioni al contorno vengono assegnate al generatore d'onda e in che modo queste condizioni vengono assegnate al solutore numerico.

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Nell'ambito dei precedenti Programmi di Ricerca sono stati sviluppati metodi numerici per lo studio di problemi di impatto di geometrie bidimensionale o assialsimmetrica a profilo arbitrario. Attraverso questi metodi di calcolo si è studiato il processo di impatto di diverse geometrie, ottenendo stime accurate delle pressioni e dei carichi globali. Scopo della presente attività è quello di utilizzare i metodi di calcolo sviluppati per valutare gli effetti in termini di riduzione dei carichi di impatto generati dall'interposizione di strati intermedi tra il liquido e la superficie dello scafo. Il ruolo di questo strato intermedio è quello di assorbire parte dell'energia e ridurre in questo modo i picchi di pressione e di conseguenza i carichi globali che si manifestano nel processo di impatto. Come soluzione più semplice dal punto di vista della soluzione numerica del problema, si può pensare all'interposizione di strati di materiale poroso o perforato. In questo caso per effetto della permeabilità della superficie in contatto con il liquido il campo di pressione induce un flusso all'interno dello strato che porta ad una significativa riduzione del campo di pressione stesso sulla superficie esterna dello strato. Nella prima fase dello studio verranno prese in conto geometrie e tipologie di strato per le quali sia possibile derivare una soluzione autosimile. Nella seconda fase saranno valutate geometrie e/o tipologie di strato differenti per le quali la soluzione può essere trovata solo ricorrendo a simulazioni numeriche nel dominio del tempo.

Obiettivi

• Studio della riduzione dei carichi di impatto ottenibili attraverso la variazione delle caratteristiche di permeabilità degli strati superficiali;

• Valutazione della riduzione dei carichi ottenibile nell'impatto di prismi con superficie esterna porosa o perforata;
• Studio della riduzione dei carichi ottenibile per geometrie e/o tipologie di strato differenti attraverso simulazioni numeriche nel dominio del tempo.

Le grandi navi da trasporto continuano a svolgere un ruolo primario nel trasporto merci su grande scala. Tra le componenti principali della resistenza, quella d'attrito è certamente la dominante per questo tipo di nave, essendo circa l'80% della resistenza totale, e la sua eventuale diminuzione potrebbe avere significativi effetti economici. L'uso di microbolle d'aria inserite nello strato limite intorno alla nave può ridurre anche significativamente questa resistenza. Questo effetto è già noto da diverso tempo. Tuttavia è facile rilevare a tutt'oggi l'incompleta comprensione delle cause fluidodinamiche di tale riduzione. Tale mancanza rende anche difficile l'estensione di questa tecnica alle grandi scale, per le quali esistono inoltre rilevanti problemi di potenza necessaria per l'insufflaggio dell'aria.

Per navi semi-dislocanti o plananti la riduzione della resistenza consente di aumentare la velocità, che rappresenta il vero obiettivo principale per queste tipologie di veicoli marini. A questo scopo verranno studiati meccanismi diversi, legati all'introduzione di particolari appendici nella zona poppiera (tegoli, o intruder) che regolano l'assetto del veicolo o all'uso di cavità ricavate lungo lo scafo con opportuni scavi e saturate di aria, in modo da formare un cuscino immerso e stabile che consente la riduzione della superficie bagnata.

Il tema in questione è relativo alla comprensione dei fenomeni fisici alla base del fenomeno detto di drag reduction, ossia la riduzione di resistenza all'avanzamento dovuta all'iniezione di microbolle d'aria nello strato limite intorno al veicolo marino. Il punto fondamentale alla base del presente tema è che il meccanismo di riduzione degli stress tangenziali in presenza di microbolle non è ancora completamente spiegato ed è necessario inoltre verificare la possibilità di estendere questa tecnica a navi al vero. L'obiettivo è la quantificazione di tali effetti in modo da valutare il tipo di applicazioni possibili in campo navale. Le attività previste riguardano la realizzazione di esperimenti in canale aperto su flussi di strato limite di lastra piana con iniezione di microbolle d'aria. Verrà effettuata la misura della velocità e delle sue variazioni in presenza di bolle tramite tecnica PIV e anemometria a film caldo. Saranno inoltre realizzate visualizzazioni con telecamera veloce al fine di valutare l'influenza delle dimensioni delle bolle nella riduzione della resistenza di attrito.

Obiettivi

• Studio degli effetti dell'immissione delle microbolle per diversi valori di Re_q e differenti concentrazioni di microbolle tramite misure PIV - esperimento su lastra piana in canaletta;

• Replica del precedente esperimento in scala più grande da effettuarsi possibilmente in bacino.

Un'altra metodologia mirata alla riduzione della resistenza all'avanzamento del veicolo marino consiste nell'insufflare aria in opportune cavità poste lungo la chiglia del veicolo, cercando di ottenere una zona dello scafo permanentemente occupata da aria, ottenendo quindi una riduzione della superficie bagnata complessiva. Il meccanismo di riduzione della resistenza è in questo caso evidente; ciò che è interessante e che si intende qui indagare è la possibilità di estendere questa tecnica a navi al vero. Le questioni connesse alla stabilità della cavità in presenza di moti nave e la difficoltà di scalare i risultati sono solo due esempi delle problematiche che emergono da una prima analisi di questo tipo di veicoli. L'obiettivo finale è la quantificazione della riduzione della resistenza, in modo da valutare il tipo di applicazioni possibili in campo navale. Le attività previste riguardano la realizzazione di esperimenti in bacino su modelli adeguati, in acqua calma e su onde. Saranno inoltre realizzate misure di pressione in cavità e visualizzazioni di flusso al fine di valutare l'influenza delle dimensioni e della stabilità della cavità nella riduzione della resistenza di attrito. Sarà inoltre importante investigare gli effetti di scala sulla stabilità della cavità e più in generale sui risultati di riduzione di resistenza.

Obiettivi

• Studio degli effetti dell'insufflaggio di aria in cavità lungo lo scafo e della stabilità della cavità stessa, per diversi valori di velocità del modello e per diverse condizioni di prova;

• Replica del precedente esperimento in scala più grande da effettuarsi possibilmente in bacino;
• Ottimizzazione del posizionamento delle cavità.

La sperimentazione effettuata presso l'INSEAN relativa all'istallazione di tegoli poppieri su scafi semi-plananti e plananti ha messo in luce la possibilità di ottenere un'effettiva riduzione della resistenza all'avanzamento. Risulta di grande interesse approfondire la conoscenza del fenomeno con prove su scafi di geometrie adatte e per ampi intervalli di velocità e condizioni di prova, allo scopo di chiarire le motivazioni idrodinamiche del fenomeno e fornire indicazioni generali sull'intervallo di valori per cui il fenomeno stesso si verifica. La finalità è quella di fornire all'industria navale indicazioni sui parametri di funzionamento di tale appendice. Verranno individuati opportuni modelli di carena, sia a fondo piatto che "round bilge keel" e verrà realizzato un sistema preciso per la tenuta e la regolazione di posizione degli intruder. Sul fondo degli scafi verranno posizionati dei trasduttori di pressione per la mappatura del campo di pressione sullo scafo senza e con l'intruder operante. Sono previste anche misure locali di velocità.

Obiettivi

• Comprensione dei fenomeni idrodinamici che nascono con l'inserimento dell'intruder. Studio degli effetti scala del fenomeno con prove su modelli;

• Definizione dei campi di funzionamento (intervallo di velocità efficace, assetti, dislocamenti) in relazione a molteplici tipologie di navi.

Questo punto del Programma di Ricerca è dedicato allo studio dei fenomeni non-lineari legati a moti di grande ampiezza, particolarmente importanti nei problemi relativi al capovolgimento (capsizing). Da un'attenta analisi della letteratura scientifica relativa a questo tema è infatti emerso che i risultati sperimentali disponibili sono invariabilmente il frutto di test condotti con modelli liberi autopropulsi; selezionando opportunamente il tipo e la direzione del mare e la velocità del modello si cerca di individuare quelle condizioni che conducono al ribaltamento del modello. Questo tipo di prova tuttavia non consente la misura delle forze e dei momenti che agiscono sul modello, e non fornisce quindi elementi utili a generalizzare i risultati. Si vuole invece qui progettare, realizzare ed analizzare un esperimento che abbia le caratteristiche di ripetibilità. Il modello deve essere quindi vincolato, impedendo il ribaltamento completo ma consentendo l'effettuazione di misure interessanti e relative a moti comunque di grande ampiezza, che possono quindi essere messi in relazione a situazioni di grande pericolosità per la nave.

Queste misure consentono inoltre la realizzazione di una preziosa banca dati per la validazione di codici del tipo URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) per la previsione del capovolgimento. Verranno analizzati differenti tipi di moti di grande ampiezza relativi a diversi tipi di mare (al traverso, di prua e di poppa) e diversi tipi di vincoli per il modello in studio.

Obiettivi

• Studio sperimentale dei moti di grande ampiezza in diverse condizioni e con diversi gradi di libertà per un modello di nave;

• Creazione di una banca dati (con relativa analisi di incertezza) adatta alla validazione di codici numerici per la predizione dei moti in esame.

L'importanza che questo tipo di imbarcazione (specialmente quelle da competizione per le gare di Coppa America) ha oggi assunto travalica le questioni scientifiche per assumere un ruolo nella società e nel costume. È comunque evidente che l'elevato contenuto tecnologico (idrodinamico e strutturale) richiesto spinge, nella fondamentale fase di progetto e scelta della configurazione finale, verso l'utilizzo combinato della sperimentazione e simulazione numerica. La ricerca di forme sempre migliori, nel rispetto dei rigidi vincoli imposti dai regolamenti, pone delle interessanti sfide sia alla modellistica matematica che alle tecniche di sperimentazione su modelli, imponendo oltre ad una elevata accuratezza in entrambe le discipline anche lo sviluppo di nuove tecniche e metodologie.

Come affermato in premessa, nella fase di progettazione sia delle forme immerse che della parte velica, si va consolidando sempre di più l'uso di codici numerici basati sulla soluzione delle equazioni di Navier-Stokes che, utilizzando modelli di turbolenza, possono fornire una grande quantità di informazioni e consentire così l'attento esame e la modifica di dettagli fino a poco tempo fa inevitabilmente trascurati. Sono particolarmente interessanti ed impegnativi ad esempio gli studi necessari alla valutazione delle prestazioni fornite dalle appendici (chiglia, timone, winglets), per le quali gli aspetti regolamentari sono meno stringenti e gli aspetti legati alla mutua interazione delle diverse parti dello scafo giocano un ruolo fondamentale, impedendone una progettazione in forma isolata. La valutazione comparata di alcuni modelli di turbolenza, spesso sviluppati e validati su flussi decisamente meno complessi, risulta essenziale per verificarne l'attendibilità in condizioni più generali.

Obiettivi

• Simulazione del flusso intorno alle appendici con diversi modelli di turbolenza;

• Analisi dei risultati e validazione, sulla base di risultati sperimentali disponibili, dei codici RANSE;
• Prime validazioni dei codici URANSE sui dati ottenuti.

La sperimentazione su modelli in grande scala è un elemento fondamentale di qualsiasi campagna di misura relativa alle barche a vela da competizione. A titolo esemplificativo, la resistenza all'avanzamento di due diverse geometrie sviluppate nella fase di progetto può differire per valori anche minori del 1%, e proprio queste piccole differenze possono contribuire a cambiare la performance complessiva della barca. La grande scala è quindi necessaria per poter avere valori differenziali misurabili, e maggiori delle incertezze sperimentali. Questa necessità, unitamente al fatto che questo tipo di scafi deve essere invariabilmente provato anche in assetto sbandato (una barca a vela infatti assume quasi invariabilmente un assetto sbandato durante la rotta), fa si che le forze ed i momenti in gioco siano particolarmente impegnativi per la strumentazione e la catena di misura. L'esperienza INSEAN su modelli in grande scala di barche a vela è forte di tre precedenti campagne sperimentali, più una quarta in corso d'opera. Proprio da questa esperienza, certamente unica nel panorama italiano e di punta nel contesto internazionale, sono emersi significativi spunti per il miglioramento sia della catena di misura in senso ampio, sia delle tecniche di prova, ancora lontane dal poter essere considerate standard. La metodologia sperimentale fin qui utilizzata dall'INSEAN è quella con modello semivincolato. Molto interessante è anche la tecnica con modello libero, più realistica della prima ma con implicazioni sperimentali complesse. È quindi opportuno eseguire uno studio più approfondito dei vantaggi che questo secondo metodo porta, e valutare la possibilità di confrontare direttamente i risultati delle due tecniche sperimentali.

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I risers sono lunghe tubazioni verticali che dalla superficie del mare arrivano sino al fondale, utilizzate dalle compagnie petrolifere per l'estrazione di greggio. Queste tubazioni, (lunghe fino a 2-3.000 m!) sono particolarmente provate da fenomeni di vibrazioni indotte dal rilascio di vortici prodotti dall'interazione con le correnti oceaniche. Allo scopo di ridurre l'ampiezza delle vibrazioni e spostare la frequenza del rilascio di vortici sono utilizzati dei "soppressori", delle alette avvolte a spirale lungo il riser. In questo studio il problema fluidodinamico è necessariamente legato a quello strutturale ed il tema sarà svolto in collaborazione con l'unità scientifica US 4.

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L'interazione di un flusso turbolento con un interfaccia aria-acqua è caratterizzata da meccanismi fisici ancora poco noti da un punto di vista fluidodinamico. Tali flussi presentano caratteristiche diverse rispetto ai più noti e studiati flussi tridimensionali -omogenei ed isotropi - e a quelli di parete, per i quali è presente in letteratura una certa quantità di dati sperimentali. I flussi turbolenti di interesse navale sono profondamente influenzati dalla superficie libera ed i classici solutori numerici (RANS) tengono conto della presenza dell'interfaccia aria-acqua attraverso schemi numerici estremamente semplificati. I meccanismi fisici di trasferimento e dissipazione dell'energia cinetica turbolenta, nei pressi di una superficie libera, differiscono da quelli relativi a flussi di volume e di parete, mentre presentano notevoli analogie con quelli della turbolenza bidimensionale. Una approfondita analisi teorico-sperimentale è quindi necessaria per poter meglio comprendere la dinamica della turbolenza di superficie libera, al fine di poter in seguito elaborare modelli da utilizzare nei codici RANS. A tal fine verranno realizzati una serie di esperimenti in un canale idraulico a superficie libera in cui la turbolenza è generata dall'attrito col fondo. Lo studio della turbolenza sarà effettuato sia tramite analisi spettrale, sia attraverso l'analisi delle funzioni di struttura degli incrementi di velocità. La velocità verrà misurata mediante anemometro a filo caldo e successivamente mediante tecnica PIV (Particle Image Velocimetry).

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Il campo ondoso prodotto da veicoli marini in mare aperto raramente è fonte di problemi per la sicurezza alla navigazione. Tuttavia, in prossimità della costa, le onde prodotte dalla nave risentono degli effetti del basso fondale e possono cambiare significativamente le loro caratteristiche di propagazione. In particolare, le variazioni di altezza d'onda possono essere significative e portare a situazioni di grave pericolo, sia per le piccole imbarcazioni da diporto, sia per le persone che vivono o lavorano in prossimità della costa, sia per le strutture marine costiere. Il problema è noto sotto il termine inglese wash. Lo studio del wash per via sperimentale presenta alcune difficoltà intrinseche con il tipo di misura richiesto, essendo necessario misurare con buona precisione l'effetto ondoso prodotto da un modello ad una distanza dell'ordine di 10÷30 volte la sua lunghezza. I normali bacini di prova (sia quelli oceanici che, a maggior ragione, le usuali vasche rettilinee) soffrono quindi limitazioni dimensionali che li rendono poco adatti a questo tipo di studio. Eventuali estrapolazioni al campo lontano di valori misurati troppo vicini al modello sono generalmente poco accurate. Le prove al vero infine hanno tutti i problemi di incertezza delle condizioni iniziali ed al contorno. Inoltre, con la mancanza di buoni dati in letteratura, i modelli numerici non possono essere validati e questo è un'ulteriore problema in questo settore.

Si propone qui di iniziare una campagna di misure da svolgere presso il lago di Nemi che sembra essere dotato di buone caratteristiche (scarso campo ondoso in alcune ore della giornata, grande dimensione dello specchio d'acqua, batimetria nota con buona precisione) tali comunque da poter consentire misure affette da minori problemi di incertezza e validi quindi per iniziare sia uno studio diretto del problema del decadimento del moto ondoso generato, sia una campagna di validazione delle soluzioni numeriche ottenibili con metodologie non-lineari.

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