Hydrofoil design and optimization with automatic differentiation : the case study of a foil assisted venetian catamaran

This thesis presents a comprehensive study on the hydrodynamic design and optimization of hydrofoils for flying catamarans using mid-fidelity computational fluid dynamics methods. The research addresses the critical need for efficient computational tools in the conceptual design phase, where 80% of life-cycle costs are determined, by developing and validating a framework that balances accuracy with computational efficiency. The study begins with an extensive literature review of numerical methods in computational fluid dynamics, focusing on lifting line theory, vortex lattice methods, and modern extensions that account for the effect of viscosity. A systematic validation process compares multiple computational approaches against airfoil experimental data from NACA research as well as three-dimensional wing configurations from NACA. The comparative study demonstrates that mid fidelity tools provide an optimal balance between computational cost and accuracy for conceptual design applications, with validation showing good agreement with experimental data across various flow conditions. A foil assisted catamaran is developed using the AeroSandbox package in conjuction with the Capytaine package, studying the equilibrium attitudes and the stability of said equilibrium. The research methodology integrates the AeroSandbox computational methods with advanced optimization techniques, employing automatic differentiation for efficient gradient computation. The optimization process successfully develops hydrofoil profiles tailored for the specific operating conditions, achieving drag reduction while maintaining cavitation-free operation. Results indicate significant performance improvements over conventional profiles, with optimized hydrofoils demonstrating enhanced efficiency in the target operating envelope. The developed framework provides a valuable tool for the rapid evaluation and optimization of hydrofoil configurations in the early design stages, contributing to the advancement of sustainable maritime transportation technologies, adding to the ongoing research aimed at wave generation reduction.

La tesi presenta uno studio completo sulla progettazione idrodinamica e l'ottimizzazione di catamarani foil assisted utilizzando strumenti mid fidelity. Il lavoro si inserisce nella ricerca di strumenti computazionali efficienti nella fase di progettazione concettuale, dove viene determinato l'80% dei costi del ciclo di vita, sviluppando e validando una metodologia che bilanci accuratezza e costo computazionale. Lo studio inizia con un'analisi dello stato dell'arte, concentrandosi sulla teoria della linea portante, sui metodi a reticoli di vortici e sulle loro estensioni che tengono conto dell'effetto della viscosità. Un processo di validazione confronta molteplici approcci computazionali con dati sperimentali provenienti da ricerce sui profili alari effettuate dal NACA, analizzando successivamente configurazioni alari tridimensionali. La validazione sperimentale dimostra che gli strumenti a media fedeltà forniscono un equilibrio ottimale tra costo computazionale e accuratezza per applicazioni di progettazione concettuale, mostrando un buon accordo con i dati sperimentali. Un catamarano foil-assisted è stato sviluppato utilizzando la libreria AeroSandbox in unione con la libreria Capytaine, studiando gli assetti di equilibrio e la stabilità di tale equilibrio. La metodologia proposta unisce, tramite AeroSandbox, i modelli mid fidelity a tecniche di ottimizzazione avanzate, impiegando la differenziazione automatica per un calcolo efficiente delle derivate. Il processo di ottimizzazione sviluppa con successo profili alari adatti alle specifiche condizioni operative, ottenendo una riduzione della resistenza pur mantenendosi al di fuori della cavitazione. I risultati mostrano miglioramenti delle prestazioni rispetto a profili convenzionali, dimostrando un'efficienza migliorata nell'inviluppo operativo di riferimento. Il framework sviluppato fornisce uno strumento utile alla valutazione e ottimizzazione delle configurazioni di hydrofoil nelle prime fasi di progettazione, contribuendo all'avanzamento del trasporto marittimo sostenibile, aggiungendosi infine alla ricerca in corso finalizzata alla riduzione della generazione di onde.