Super & Mega Yacht's Aerodynamic, on-board comfort and pollutant dispersion assessment methods: wind tunnel and open-source numerical design tool

Comfort on board a luxury yacht is obviously a key feature in all its aspects, like ship motions, noise and vibrations, windage and exhausts gases issues. Larger main dimensions, superior comfort requests and higher manoeuvrability characteristics focus mega-yacht designer attention towards hull and superstructure aerodynamic performances. Windage evaluation of very high superstructure, aerodynamic load assessment, and accurate air flow simulation are considered very important in the design procedure to get optimal layout and opening position. Moreover they are used to precisely sizing thrusters horsepower requirements and Dynamic Positioning Systems. The lack of data concerning the peculiar mega-yacht forms and the result accuracy requested lead to set up a method for the aerodynamic evaluation through scale model wind tunnel tests or numerical simulations (CFD). Wind tunnel tests are asked more and more frequently by designer and surveyors and are considered a fundamental reference for any further CFD simulation. Within this work the experimental and numerical methodologies developed at Politecnico di Milano Wind Tunnel in order to assess mega-yacht aerodynamics in terms of aerodynamic loads, comfort analysis, pollutants dilution, re-ingestion and helideck analysis using wind tunnel tests are described as well as the numerical models developed by the author aiming to build a more practical design tool helping yacht designers to improve the whole design process. In particular, the dispersion of exhausts around the yacht is a complex issue that may be accurately investigated using a computational model. The proposed CFD analysis is firstly conducted through a commonly used commercial code to fix the main modelling issues: several different approaches are investigated for modeling the dispersion of exhaust gas around the yacht aiming to find the best compromise in terms of accuracy and computational cost. In addition effects of temperature and gravity on the pollutant dilution are investigated and discussed. The main challenging part of the work regards the further implementation of same approaches in the open-source fluid-dynamic framework OpenFOAM taking into account the main features of the interaction between the yacht aerodynamics and the pollution emission. Numerical results agree very well with results obtained with commercial software and are validated against wind tunnel tests. The key points of this work concern several aerodynamic issues, as it represents a clear method of analysis for comfort on board a luxury yachts in terms of both aerodynamics and pollutant evaluation considering also the ability to perform helideck certification. It would establish a fundamental reference in literature. Finally the open-source numerical tool would be a powerful instrument for yacht designers allowing to save costs and to perform a more efficient design process obtaining even more excellence products.

Il comfort a bordo di yachts di lusso è ovviamente un aspetto chiave in tutte le sue sfaccettature come per esempio in relazione ai moti dell’imbarcazione, al rumore, alle vibrazioni indotte, ed a tematiche legate all’aerodinamica e gas inquinanti provenienti dagli scarichi. Le dimensioni sempre più grandi, e le richieste di maggior comfort con caratteristiche di manovrabilità sempre più elevate hanno focalizzato l’attenzione dei progettisti di mega-yachts sulle prestazioni aerodinamiche di scafo e sovrastrutture. La valutazione dei flussi nell’intorno delle sovrastrutture, la stima dei carichi aerodinamici ed una accurata simulazione dell’interazione vento-imbarcazione sono considerati tutti aspetti molto importanti nella complessa procedura di progettazione al fine ottenere un layout ottimale dei vari ponti e delle aree esterne ed il corretto posizionamento delle griglie di aspirazione e di scarico per garantire un buon impianto di ventilazione interna. Per di più, queste informazioni vengono utilizzate per un più preciso dimensionamento dei sistemi di propulsione installati a bordo e per la progettazione dei sistemi di posizionamento dinamico (DPS) dell’imbarcazione. La carenza di dati circa le forme caratteristiche di mega-yacht e l’alto livello di accuratezza richiesto in fase di progettazione hanno reso necessario lo sviluppo di un metodo per la valutazione dell’aerodinamica attraverso prove in galleria del vento su modelli in scala o simulazioni numeriche (CFD). Le prove sperimentali sono richieste sempre più frequentemente da progettisti e costruttori e sono considerate un riferimento fondamentale per ogni simulazione CFD. In questo lavoro di tesi vengono presentate e descritte le metodologie, sperimentali e numeriche, sviluppate presso la Galleria del Vento del Politecnico di Milano per valutare tutti gli aspetti relativi all’aerodinamica dei mega-yacht, in termini di carichi aerodinamici, comfort a bordo, dispersione di inquinanti, sistemi di ventilazione a bordo e aspetti legati alla piattaforma di atteggio per elicotteri. Particolare attenzione è posta nella descrizione dei modelli numerici sviluppati dall’autore con lo scopo di creare un più pratico strumento di progettazione in grado di aiutare i progettisti stessi a migliorare, integrare ed ottimizzare l’intero processo. In particolare, la dispersione dei gas di scarico nel volume intorno allo yacht è un argomento molto complesso che può essere investigato accuratamente utilizzando un modello numerico. L’analisi CFD qui proposta è condotta inizialmente attraverso l’utilizzo di un software commerciale con l’obiettivo di inquadrare le diverse modalità di modellazione del fenomeno fisico: sono stati considerati diversi approcci per modellare la dispersione di inquinante attorno allo yacht con lo scopo di identificare il miglior compromesso in termini di accuratezza e costo computazionale. La parte successiva e più ardua del lavoro riguarda l’ulteriore implementazione in ambiente open-source dei medesimi approcci tenendo in considerazione le principali caratteristiche dell’interazione tra l’aerodinamica dello yacht e l’emissione e propagazione di inquinante. I risultati numerici ottenuti per mezzo dei codici implementati mostrano un buon accordo con quelli ottenuti attraverso i modelli considerati col codice commerciale ed inoltre sono stati validati contro le prove sperimentali. I punti chiave di questo lavoro riguardano molteplici aspetti relativi all’aerodinamica di mega-yacht: il lavoro infatti rappresenta un chiaro metodo di analisi per la valutazione del comfort a bordo di imbarcazioni di lusso in termini sia di aerodinamica che di concentrazione di inquinanti permettendo inoltre di effettuare la certificazione di piattaforme di atterraggio per elicottero. In aggiunta, il metodo e risultati presentati possono costituire un evidente riferimento in letteratura. Infine, lo strumento numerico open-source può essere utilizzato come potente dispositivo a disposizione dei progettisti di yachts permettendo una serie di vantaggi quali per esempio la riduzione di costi e un più efficiente processo di progettazione che porta ad ottenere un prodotto sempre più eccellente.