Development of a multi-purpose velocity prediction program for sailing yachts

This thesis aims at the development of a Velocity Prediction Program (VPP) able to analyse the sailing yachts that fall into the Delft Systematic Hull Series ranges. Over the last decade, the use of VPP for the analysis of yacht performance has gained a lot of popularity. This is due to the lower impact in the budget (both in terms of time and money) in a very competitive field such as yacht racing, where important decisions need to be made in small amounts of time. The inputs of the VPP are the boat geometry and the weather conditions in terms of wind speed and the angle between the boat and the wind direction, while its output is the maximum boat speed achievable by the boat in the given conditions. This speed is computed solving the equilibrium equations between the aerodynamic and hydrodynamic forces and moments. Two VPP models have been implemented: the first one was started at the Yacht and Superyacht Research Group at the Newcastle University (UK) and uses an iterative process to find the solution, whereas the second one solves the problem using an optimization algorithm. The second model entirely developed during this thesis improved the performance in terms of execution time and precision. To show how a VPP can also be used in the yacht design process, for example to predict the performance as a function of some geometrical parameters, different types of keels were tested to find the one giving the best performance. Finally comparisons between numerical and experimental data have been made to assess the accuracy of the numerical solutions.

L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un Velocity Prediction Program (VPP) capace di analizzare tutte le barche a vela che rispettino particolari condizioni geometriche: i range delle Delft Systematic Hull Series. Durante l'ultimo decennio i VPP sono stati ampiamente utilizzati per analizzare le prestazioni delle barche a vela, in quanto garantiscono un notevole risparmio in termini di costo e tempo. Quest'ultimo aspetto in particolare è risultato rilevante, in particolare, nel campo della vela da competizione dove è necessario prendere decisioni in tempi molto stretti. Gli input del VPP sono la geometria della barca e le condizioni di vento (direzione rispetto alla barca e intensità); l'output di questo particolare VPP è la massima velocità che la barca può raggiungere nelle condizioni correnti. È tuttavia possibile modifcare l'output in modo da ottenere funzioni più complesse, come ad esempio il minor tempo di percorrenza su un tracciato assegnato. La soluzione è calcolata risolvendo l'equilibrio, bilanciando forze e momenti aerodinamici e idrodinamici. In questo lavoro sono stati implementati due modelli di VPP: il primo, inizialmente concepito nello Yacht and Superyacht Research Group alla Newcastle University (UK), fa uso di un processo iterativo per trovare la soluzione, mentre il secondo modello risolve il problema utilizzando un algoritmo di ottimizzazione. Fra i possibili utilizzi del VPP, l'analisi delle performance in funzione di differenti scelte di progetto, ricopre un ruolo fondamentale; per questa ragione il VPP è stato messo alla prova su diverse geometrie e forme della chiglia, verificando i risultati ottenuti dalle diverse configurazioni. Infine, i risultati numerici sono stati confrontati con dati sperimentali per verificarne l'accuratezza.