Performance analysis of a 2-dimensional hydrofoil operating close to a free surface in a high Froude regime

Over the last decade, sailing techniques have undergone a drastic change due to the introduction of several new features, first and foremost the use of the so-called hydrofoils. Since the main benefit resulting from the employment of this technology is a significant increase in sailing speeds, further studies are required in order to analyse its behaviour and performances under medium-high speed conditions. As a consequence of the unavailability, in the published works to date, of scientific findings under this flow regime, this report focuses on the description of the flow field developing around a bi-dimensional hydrofoil operating just beneath the air-water interface under a Fr = 10.0 and a Re = 1000000 regime. The main purpose is the study of the wave pattern developing at the free surface by means of a volume of fluid (VoF) interface capturing approach. Subsequently, the focus is shifted to the analysis of the polar curves behaviour following a simultaneous variation in both the pitch angle and the submergence depth ratio (SDR). Finally, a numerical model has been developed to highlight the possibility of computing, by means of a simple algebraic expression, the main hydrofoil bi-phase performances starting from their mono-phase counterpart.

Nell'ultimo decennio le tecniche di navigazione hanno subito un drastico cambiamento grazie all'introduzione di diverse novità, prima fra tutte l'utilizzo dei cosiddetti hydrofoil. Poiché il principale vantaggio derivante dall'impiego di questa tecnologia è un significativo aumento della velocità di navigazione, sono necessari ulteriori studi per analizzarne il comportamento e le prestazioni in condizioni di velocità medio-alta. In conseguenza dell'indisponibilità, nei lavori finora pubblicati, di risultati scientifici in questo regime di flusso, la presente relazione si concentra sulla descrizione del campo di moto che si sviluppa attorno a un hydrofoil bidimensionale che opera appena al di sotto dell'interfaccia aria-acqua in un regime di Fr = 10.0 e di Re = 1000000. L'obiettivo primario consiste nello studio del modello d'onda che si sviluppa sulla superficie libera mediante un approccio basato sul metodo del volume di fluido (VoF). Dopodiché, l'attenzione viene posta sull'analisi del comportamento delle curve polari a seguito di una variazione combinata dell'angolo di incidenza e del rapporto di immersione (SDR). Infine, viene realizzato un modello numerico esemplificativo che evidenzia la possibilità di calcolare, tramite una semplice espressione algebrica, le principali prestazioni bi-fase a partire dalla loro controparte mono-fase.