Sailopt

"Sailopt" e` un nuovo e rivoluzionario programma di simulazione aerodinamica che viene utilizzato da marzo 2000 per progettare le vele Elvstrom Sails.
Questo software e` stato sviluppato presso il Politecnico Federale di Losanna (Svizzera) durante il programma di ricerca per la passata sfida svizzera alla Coppa America, dove e` stato ampiamente usato per il disegno del piano velico e delle vele, ed e` ora offerto da Elvstrom Sails anche come servizio per i progettisti delle barche dei nostri clienti.

E` noto piu` o meno a tutti che le vele di bolina devono funzionare come efficienti ali, sviluppando la massima portanza con la minima resistenza ed il minimo momento sbandante. L'obbiettivo e` raggiunto quando si sceglie la distribuzione verticale di circolazione ottimale e quando la separazione del flusso e` minimizzata.
Queste scelte riflettono i due principali obbiettivi del calcolo computazionale per le vele: il calcolo di coefficienti aerodinamici precisi da fornire al programma di previsione delle prestazioni (VPP), e la determinazione delle forme e delle dimensioni ottimali per aiutare il sail designer nel disegno delle vele.

Ottimizzazione delle Vele di Bolina

Per determinare la forma delle vele che massimizza la spinta per una data condizione di velocita` ed angolo del vento, e` stato sviluppato un metodo Vortex Lattice 3D inverso.
La procedura di ottimizzazione si basa su di un algoritmo genetico (sviluppato, come l'intero software, dall'Ing. Mario Caponnetto), dove l'ottimo e` ottenuto aggiungendo successivi disturbi casuali ad una forma iniziale arbitraria.
Con questo approccio possono facilmente essere aggiunti diversi vincoli, come il massimo momento sbandante accettabile o il valore massimo di coefficiente di portanza per prevenire lo stallo dei profili della vela.
La resistenza viscosa (che tiene conto della separazione del flusso dietro all'albero) e` aggiunta ad ogni sezione utilizzando coefficienti di resistenza bidimensionali che sono stati precedentemente calcolati utilizzando Fluent (un solutore aerodinamico Navier-Stokes) per differenti combinazioni di camber del profilo della vela e dimensioni della sezione dell'albero. Durante la procedura di iterazione, forme di vela non realistiche possono essere scartate. E` tipico il caso della randa con un camber inverso nella parte superiore; teoricamente questa forma massimizza la forza propulsiva con vento forte, ma e` ovviamente molto difficile da controllare.
Usando questo programma e` possibile ottenere completi diagrammi polari delle migliori vele di bolina e le loro relative forme tridimensionali.
Fig. 1 mostra un esempio di come la distribuzione di circolazione ottimale su genoa e randa varia con la velocita` del vento.

Fig. 1 – Distribuzione della circolazione lungo l'apertura alare

In ambedue i casi e` stato imposto un momento sbandante di 30 t*m, corrispondente ad un angolo di sbandamento di 30 gradi per un IACC. In condizioni di vento medio (Aws=18 Kn) la randa e` molto caricata, specialmente verso la penna.
Con l'aumentare del vento apparente (Aws=30 Kn) la randa deve essere scaricata alla penna, ed in teoria la circolazione dovrebbe essere zero dalla tavoletta della randa fino alla penna del genoa. Per lo stesso caso i corrispondenti valori di angolo di twist e di camber sono riportati in Fig. 2 e Fig. 3.

Fig. 2 – Distribuzione del twist lungo l'apertura alare

Fig. 3 – Distribuzione della profondità lungo l'apertura alare

Questi risultati sono in buon accordo con l'esperienza.
Con vento medio sia randa che genoa hanno sezioni relativamente profonde. Il twist della randa e` grande, ma il boma e` vicino alla mezzeria della barca.
Con vento piu` forte le vele vanno appiattite, specialmente la randa nella parte alta, per abbassare il centro di pressione.
La penna del genoa deve rimanere relativamente profonda per evitare fenomeni di separazione del flusso. Il twist della randa e` ridotto, ma l'angolo del boma viene aumentato.

Dati come input le dimensioni del piano velico (P, E, quattro girths della randa, larghezza della tavoletta, BAS, I, J, base della vela di prua, diametro longitudinale dell'albero, rake), le condizioni di navigazione (angolo di sbandamento, velocita` della barca, velocita` del vento reale, angolo del vento reale) e il momento sbandante massimo da sviluppare (uguale al momento raddrizzante della barca a quell'angolo di sbandamento), "Sailopt", tenendo conto anche della distribuzione verticale di velocita` del vento e degli effetti di simmetria della superficie dell'acqua, da` come output:
- Forze e momenti aerodinamici risultanti (forza propulsiva, forza sbandante, forza verticale, momento sbandante, momento d'imbardata, momento di beccheggio), estremamente utili al progettista della barca per disegnare e posizionare le appendici, per fornire coefficienti aerodinamici molto precisi al VPP e per confrontare le prestazioni di differenti possibili piani velici.
- Forma tridimensionale e regolazione ottimali delle vele, molto utili al progettista della barca per posizionare i binari delle vele di prua, sartie e crocette, e per il sail designer per valutare camber e twist ottimali di ogni sezione delle vele di bolina.

Molti sforzi sono stati impiegati nella validazione del software, e gli ottimi risultati ottenuti permettono ora di avere grande fiducia nei valori calcolati da "Sailopt".

Fig. 4 – Confronto tra la forza propulsiva aerodinamica e la resistenza idrodinamica

Di seguito vi e` un esempio di un confronto tra la forza propulsiva aerodinamica calcolata da "Sailopt" e la resistenza idrodinamica di un IACC basata su dati sperimentali ottenuti in vasca, che devono essere uguali nei punti di navigazione calcolati dal VPP.
Come si puo` vedere in Fig. 4 i due valori mostrano un ottimo accordo.

Elvstrom Sails offre gratuitamente ai progettisti delle barche dei propri clienti i risultati delle simulazioni di "Sailopt".

Per qualsiasi domanda od approfondimento tecnico su Sailopt scrivete a