AeroSandbox: Foils Design and Optimization via Automatic Differentiation

The aim of this research is to seamlessly integrate an aerodynamic analysis framework into the field of naval architecture and engineering. In the last years, hydrofoils, which are wings submerged in water, have gained much more attention for their ability to improve the performance of a boat. Therefore, the knowledge from aircraft design has transitioned to the foiling one, as both domains are governed by the same physical principles. Similarly, the software developed by Sharpe P., known as AeroSandbox, has been extensively revised to cater to hydrofoil analysis. This package, born to design aircraft, was harnessed to optimize these surfaces thanks to its advanced computational efficiency, particularly its automatic differentiation technique. To simplify the design of the hydrofoils within the program, it has been coupled with a widely-used CAD software. For hydrodynamic analysis purposes, the existing mid-fidelity tools in AeroSandbox were updated and upgraded. The presence of a boundary surface between air and water changes the hydrofoils characteristics; therefore, the influence of the free surface has been taken into account. Subsequently, a high-fidelity CFD study has been carried out to validate the majority of the implemented code. To highlight the versatility of these enhanced methods, also several aeronautical applications were explored.

L'obiettivo di questa ricerca è integrare un framework di analisi aerodinamica nel campo dell'architettura e ingegneria navale. Negli ultimi anni, i foil, che sono ali sommerse in acqua, hanno attirato molta attenzione per la loro capacità di migliorare le prestazioni di una barca. Di conseguenza, la conoscenza derivante dalla progettazione di aerei si è trasferita al campo dei foil, poiché entrambi i settori sono governati dagli stessi principi fisici. Allo stesso modo, il software sviluppato da Sharpe P., noto come AeroSandbox, è stato ampiamente rivisto per adattarsi all'analisi dei foil. Questo pacchetto, nato per la progettazione di aerei, è stato sfruttato per ottimizzare queste superfici grazie alla sua avanzata efficienza computazionale, in particolare la sua tecnica di differenziazione automatica. Dapprima si è deciso di semplificare la progettazione dei foil all'interno del programma accoppiandolo con un software CAD ampiamente noto. Per l'analisi idrodinamica, i solutori di media fedeltá in AeroSandbox sono stati aggiornati e potenziati. La presenza di una superficie di separazione tra aria e acqua cambia il comportamento dei foil; pertanto, l'influenza del pelo libero è stata presa in considerazione. Successivamente, si è condotto uno studio CFD per validare la maggior parte del codice implementato. Per evidenziare la versatilità di questi metodi, sono state esplorate anche diverse applicazioni nel campo aeronautico.