Design and optimization of fast powerboats by means of CFD

The design of fast planing powerboats is a demanding process which involves the definition of the complex geometry of the hull, operating at high speed at the boundary between two fluids: water and air. At this operating mode the boat constantly changes its vertical position, trim and wetted surface in relation to the hydrodynamic forces applied to the hull, which affect performances and comfort with relevant impact. Two different approaches are commonly available to deal with this task, from the direct computation through the analytical/experimental relations, like the Savitsky’s model, to the experimental test in the towing tank. The third approach, followed in this research, implies the use of numerical simulation, which allows the simultaneous calculation of any number and shape of hulls and gives more accuracy compared to the analytical approach and reduces the costs compared to the experimental one. The calculations have been done by means of an opensource software (OpenFOAM), chosen for its highly flexible features, allowing the user to customize all the computation aspects. The numerical model is applied to the design of a 10m planing hull, used as a reference for finding a setting of the computation, aimed at minimizing the calculation time, keeping a valuable level of accuracy. The example application shows the method efficacy in the evaluation of different hull shapes and in the optimization of its features (deadrise, chines, spray rails and steps).

La progettazione di motoscafi plananti veloci è un processo impegnativo che prevede la definizione della complessa geometria dello scafo, che opera ad alta velocità al confine tra due fluidi: acqua e aria. In questa modalità operativa la barca cambia costantemente posizione verticale, assetto e superficie bagnata in relazione alle forze idrodinamiche applicate allo scafo, che influiscono sulle prestazioni e sul comfort con un impatto rilevante. Sono comunemente disponibili due diversi approcci per affrontare questo questo processo, dal calcolo diretto alle relazioni analitiche / sperimentali, come il modello di Savitsky, fino alla prova sperimentale nella vasca navale. Il terzo approccio, seguito in questa ricerca, implica l'uso della simulazione numerica che consente il calcolo simultaneo di qualsiasi numero e forma di scafo e offre una maggiore precisione rispetto all'approccio analitico e riduce i costi rispetto a quello sperimentale. I calcoli sono stati effettuati per mezzo di un software opensource (OpenFOAM), scelto per le sue caratteristiche altamente flessibili, che consentono all'utente di personalizzare tutti gli aspetti di calcolo. Il modello numerico viene applicato alla progettazione di uno scafo planante di dieci metri, utilizzato come riferimento per trovare un set-up del modello, che riduca al minimo i tempi di calcolo, mantenendo un sufficiente grado di precisione. Il caso studio di esempio mostra l'efficacia del metodo nella valutazione delle diverse forme di scafo e nell'ottimizzazione delle sue caratteristiche (angolo diedro, pattini laterali, deflettori di spruzzo e step trasversali).