Numerical simulations of a boat's hull with an open source CFD code

The study of the performance and dynamics of a boat's hull has always been object of interest in many fields, ranging from commercial shipyards to high performance sail crafts. This type of analysis was initially carried out with the use of empirical models, simplified formulas and towing-tank tests. Nowadays, thanks to technological progress, complex numerical tools are employed. Computational Fluid Dynamics (CFD) has become, in the last decade, much more accurate, cheaper and faster compared to the past. The research that has been carried out permits, nowadays, to simulate almost any condition a vessel can sail in. Towing-tank testing still remains very important to validate numerical results, but has become much less employed because of the high costs (instrumentation, model realization, delivery time, ...), of the smaller range of conditions that can be tested and of the model-ship correlation (which does not exist in CFD, since full-scale virtual model can be simulated). The state of the art of Computational Fluid Dynamics for naval engineering problems has been reached with commercial CFD programs, which have a high license cost and do not permit ad-hoc modifications of the source code by the user. The goal of this thesis is to show that these two problems can be avoided adopting a free-approach to Computational Fluid Dynamics. For this purpose the Open-Source CFD library OpenFOAM was used. OpenFOAM solves the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations (RANS) using the Finite Volume discretization (FV) and a segregated approach. The two solvers used (interFoam and interDyMFoam) implement the Volume Of Fluid (VOF) method to model the free-surface. The dynamic free surface-flow solver interDyMFoam is coupled with a Six Degree Of Freedom (6DOF) solver which uses quaternions ad septernions to integrate the rigid body motion equations that model the hull dynamics. In order to complete the simulation procedure independently of commercial softwares, the adoption of Open-Source mesh generation tool has also been considered. The meshing process is based on: the snappyHexMesh mesher and different utilities embedded in OpenFOAM, other Open-Source functionalities, and some ad-hoc coding. The results from simulations carried out using these meshes are compared to others performed with meshes made using a commercial grid generator. Simulations with fixed hull in flat water and in presence of waves were carried out and results (drag coefficients, wave lines and wave patterns) are compared to experimental ones and to those obtained by commercial CFD codes found in literature. Free trim and free sink and trim simulations were computed, and drag coefficients, trim angles and sinkage are compared to available data. Results show that a free-approach to Computational Fluid Dynamics for naval engineering problems is possible and the state of the art is fully reached. Drag coefficient shows an error of less than 6% with respect to experimental data. Trim angles and sinkage are correctly predicted and the hull dynamics in presence of waves is correctly simulated.

Lo studio delle prestazioni e della dinamica dello scafo di una barca è sempre stato oggetto di interesse per tutti i settori del mondo nautico-navale, dalle navi commerciali fino ad imbarcazioni a vela ad alte prestazioni. Inizialmente questo tipo di analisi veniva fatto per mezzo di modelli empirici, formule semplificate e prove in vasca navale. Oggigiorno, grazie allo sviluppo tecnologico in campo informatico, vengono utilizzati strumenti numerici decisamente complessi. La Fluidodinamica Computazionale (CFD) nell'ultima decade è diventata sempre più economica e veloce e ha fornito risultati sempre più accurati. La ricerca in questo campo ha permesso di simulare numericamente qualsisasi condizione in cui una barca si trovi a dover navigare. Prove sperimentali in vasca navale vengono sempre meno utilizzate a causa degli elevati costi (di strumentazione, realizzazione del modello, per esempio), del minor numero di condizioni diverse di prova e del problema della correlazione modello in scala-modello reale (problema che non esiste in campo numerico, vista la possibilità di simulare in scala reale), ma rimangono sempre e comunque di vitale importanza, soprattutto per la validazione dei risultati numerici. Lo stato dell'arte per la Fluidodinamica Computazionale è stato raggiunto con l'utilizzo di codici commerciali, che hanno alti costi di licenza e non offrono alcuna possibilità all'utilizzatore di cambiare i codici sorgenti, se necessario. L'obiettivo di questa tesi è quello di dimostrare che un approccio libero alla Fluidodinamica Computazionale è possibile. Per questo scopo, è stato utilizzato OpenFOAM, una libreria CFD Open-Source. Con OpenFOAM vengono risolte le equazioni mediate di Reynolds (RANS) con un approccio segregato, utilizzando una discretizzazione a Volumi Finiti (FV). Nei due solutori utilizzati, statico (interFoam) e dinamico (interDyMFoam), la modellazione della superficie libera viene fatta con il metodo della Frazione Di Volume (VOF, dall'inglese Volume Of Fluid). Il solutore dinamico per flussi a superficie libera è accoppiato a un solutore a sei gradi di libertà (6DOF) che utilizza septermioni e quaternioni per integrare le equazioni di moto dell'imbarcazione (modellata come un corpo rigido). Volendo completare la procedura di simulazione in maniera completamente libera, quindi senza l'utilizzo di codici commerciali si è vagliato l'utilizzo di generatori di griglia Open-Source. Il processo di grigliatura si basa sull'utilizzo del meshatore snappyHexMesh e di alcune applicazioni fornite con OpenFOAM, di altre Open-Source non fornite in OpenFOAM e di alcune funzioni scritte appositamente. I risultati delle simulazioni con le griglie generate con questo processo, vengono confrontati con quelli forniti da simulazioni con griglie generate da un meshatore commerciale. Sono state effettuate simulazioni a scafo fissato, in acqua piatta e con moto ondoso imposto, ed i risultati, in termini di coefficienti di resistenza, linee d'onda e moto ondoso, sono stati confrontati con risultati sperimentali e numerici di codici commerciali, disponibili in letteratura. Il confronto con risultati numerici e sperimentali disponibili è stato fatto anche per i coefficienti di resistenza, gli angoli di beccheggio ed affondamento ottenuti da simulazioni dinamiche, ovvero con i gradi di libertà di beccheggio ed affondamento non vincolati. I risultati mostrano che un approccio libero alla Fluidodinamica Computazionale per problemi tipici dell'ingegneria navale è possibile e che lo stato dell'arte è stato raggiunto. I coefficienti di resistenza si discostano dai valori sperimentali per meno del 6%, gli angoli di beccheggio ed i valori dell'affondamento sono congruenti con i valori disponibili in letteratura e il comportamento dinamico dello scafo in presenza di onde è correttamente simulato.