La difficoltà peculiare del problema della resistenza navale è questa: la resistenza d'onda dipende dal numero di Froude, quella d'attrito dal numero di Reynolds. In un modello in scala i due non si possono rispettare contemporaneamente. La prova su modello si esegue in similitudine di Froude e la componente d'attrito viene scalata a parte al vero mediante una procedura.
La CFD può colmare quel divario, perché si può risolvere direttamente al vero. Il prezzo è che lo strato limite va risolto al numero di Reynolds del vero — il che fissa direttamente il requisito di griglia.
Il quadro ITTC
L'International Towing Tank Conference pubblica procedure raccomandate per le applicazioni CFD navali; quei documenti mettono su una base comune definizione del dominio, griglia, soluzione e passi di verifica [1]. Seguire quel quadro non è una preferenza ma una necessità pratica se si vuole che i risultati siano confrontabili.
Superficie libera e assetto
Un problema navale è per definizione un problema a superficie libera, e porta con sé due difficoltà in più:
Risolvere il sistema ondoso. Il treno d'onde di Kelvin si irradia dallo scafo. La griglia deve risolvere la lunghezza d'onda con abbastanza celle; a risoluzione insufficiente le onde vengono smorzate numericamente e la resistenza d'onda esce bassa. Se sul lato di uscita del dominio non si lascia una zona di smorzamento voluta, le onde si riflettono sul contorno e corrompono la soluzione.
Libertà di assetto e immersione. Una nave non è vincolata; al crescere della velocità appruasi e si immerge. Bloccare questi gradi di libertà dà la resistenza sbagliata, specie ad alti numeri di Froude. Liberati, il problema diventa un problema a contorni mobili con accoppiamento bidirezionale: il flusso fissa la forza, la forza fissa l'assetto.
L'elica: in acqua libera o dietro lo scafo?
Per una curva in acqua libera basta un modello periodico a canale singolo in stazionario. Ma l'elica lavora nella scia dello scafo, e il flusso che vi arriva non è uniforme. Il carico sulla pala fluttua lungo il giro, e la cavitazione comincia al picco di quella fluttuazione.
La domanda sul rendimento è quindi economica e quella su cavitazione e vibrazione costosa — quest'ultima richiede di risolvere in transitorio l'interazione scafo-elica. Si vedano la nota sulle macchine rotanti e la nota sulla cavitazione.
Riferimenti
- International Towing Tank Conference. ITTC Recommended Procedures and Guidelines 7.5-03-02-03: Practical Guidelines for Ship CFD Applications. ITTC.
- Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130(7), 078001. DOI: 10.1115/1.2960953