CFD parametric study of Air Layer Drag Reduction (ALDR) for hydrofoil applications

This study presents a parametric investigation of a two-dimensional hydrofoil through CFD simulations, aimed at assessing the variations in hydrodynamic performance induced by the injection of a thin air layer over the foil surface. The flow field is modeled using a multiphase VoF (Volume of Fluid) solver to describe the interaction between water and air. The analysis evaluates the influence of injection location, air velocity magnitude and direction, and operating conditions, including angle of attack and free-stream velocity. The objective is to improve hydrodynamic efficiency through the Air Layer Drag Reduction (ALDR) technique. Performance is assessed in terms of lift coefficient, drag coefficient, and overall efficiency ($C_L/C_D$). Results indicate that the air layer may either enhance or penalize performance depending on configuration, highlighting the strong dependence of ALDR effectiveness on geometry and flow conditions. The study further examines the physical phenomena underlying the observed behavior, identifying the flow conditions that maximize the benefits compared to the reference cases. Additionally, it explores the role of the low-pressure region on the suction side, particularly for injection near the leading edge, where the pressure field promotes air-layer formation and stability. The findings provide quantitative insight for the application of ALDR to hydrofoil systems, suggesting potential reductions in drag and fuel consumption under representative operating conditions such as cruise speed and take-off speed.

Questo studio propone un’indagine parametrica su un profilo idrodinamico bidimensionale mediante simulazioni CFD, per valutare gli effetti dell’iniezione di un sottile strato d’aria sulle prestazioni idrodinamiche. Il campo di moto è simulato tramite un solutore multifase VoF (Volume of Fluid) per descrivere l’interazione acqua-aria. L’analisi considera la posizione di iniezione, la velocità dell’aria e le condizioni operative (angolo di incidenza e velocità indisturbata), con l’obiettivo di migliorare l’efficienza idrodinamica attraverso la tecnica Air Layer Drag Reduction (ALDR). Le prestazioni sono valutate in termini di coefficiente di portanza, coefficiente di resistenza ed efficienza globale ($C_L/C_D$). I risultati mostrano che lo strato d’aria può determinare benefici o svantaggi a seconda della configurazione, evidenziando la dipendenza dell’efficacia della tecnica dalle condizioni geometriche e di flusso. Lo studio approfondisce inoltre i fenomeni fisici alla base del comportamento osservato, identificando le condizioni di flusso che massimizzano i benefici rispetto ai casi di riferimento. Viene altresì messo in luce il ruolo della regione di bassa pressione sul dorso, in particolare con iniezione prossima al bordo d’attacco, dove il campo di pressione favorisce la formazione e la stabilità dello strato d’aria. I risultati forniscono indicazioni quantitative per l’applicazione della tecnica ALDR ad aliscafi, suggerendo potenziali riduzioni dei consumi e miglioramenti prestazionali in condizioni operative rappresentative quali la velocità di crociera e la velocità di decollo.