A ottanta nodi l’acqua intorno a un foil cambia stato: sul dorso del profilo la pressione scende sotto la tensione di vapore e il flusso si riempie di cavità gassose. È la cavitazione, e insorge già oltre i cinquanta nodi. Il progetto Syroco per il record di velocità a vela, che punta a circa ottanta nodi, l’ha assunta come condizione di lavoro: il foil non è disegnato per scongiurarla ma per conviverci, in regime supercavitante stabile.
La vela da regata è piena di problemi con questa struttura: un fenomeno fisico che detta le regole, un regolamento che stringe i margini, una prestazione che si gioca su punti percentuali. È il terreno naturale della fluidodinamica computazionale (CFD), ed è un terreno che Cubit conosce da vicino. Tra il 2012 e il 2015 sei progetti per team di America’s Cup in classe AC72 hanno toccato vela rigida, foil, deriva, assetto, aeroelastica e ottimizzazione multi-obiettivo; fra i lavori documentati ci sono uno studio del 2007 su una chiglia, un’analisi dello scafo completo del 2010 e i foil supercavitanti di oggi.
La chiglia ottimizzata del 2007
Il punto di partenza è lo studio del 2007 sulla chiglia di uno yacht di classe America’s Cup, dove l’obiettivo era ridurre la resistenza a parità di portanza: la portanza laterale è ciò che tiene la barca in rotta quando risale il vento, e ogni suo calo si paga in scarroccio. Un problema del genere non si risolve a mano, perché ogni ritocco di forma sposta insieme resistenza, portanza e momento raddrizzante.
La risposta è stata una catena di calcolo costruita per esplorare: la geometria della chiglia descritta da un CAD parametrico, la griglia rigenerata automaticamente a ogni variazione, un solver RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) a valutare ciascuna forma e l’ottimizzatore modeFRONTIER a decidere dove cercare, dentro vincoli espliciti su geometria, posizione del centro di gravità e manovrabilità. Alla fine la funzione obiettivo era scesa del 5,8%: resistenza ridotta a portanza fissata, momento raddrizzante maggiore, caratteristiche di virata migliori.
Lo scafo intero nel mare formato
Un’appendice studiata da sola resta un modello parziale. Per capire come si comporta la barca in regata serve lo scafo intero nel mare, ed è un salto di scala. In un lavoro presentato alla conferenza STAR-CD del 2010 lo scafo completo affronta la bolina in mare formato. Un modello d’onda VOF (Volume of Fluid) Waves genera il moto ondoso incidente, e la griglia arriva all’ordine dei 16 milioni di celle per risolvere insieme carena, appendici e superficie libera. Il moto della barca è calcolato a ogni passo dalle forze aerodinamiche e idrodinamiche, con rollio, beccheggio e traslazioni liberi e l’imbardata tenuta fissa a rappresentare il controllo del timoniere. In una simulazione così l’assetto è un risultato del calcolo, insieme al comportamento in onda.
Dal calcolo alla prestazione
I risultati fluidodinamici, da soli, non dicono ancora quanto andrà la barca. A trasformarli in una previsione provvede il Velocity Prediction Program (VPP), il modello che bilancia forze aerodinamiche e idrodinamiche e trova la velocità di equilibrio per ogni condizione. È lo stesso strumento che regge i sistemi di rating dell’ORC (Offshore Racing Congress), dove il VPP calcola le velocità teoriche di una barca per venti reali da 6 a 24 nodi, a diversi angoli: la base su cui barche diverse gareggiano in classifica alla pari.
Il regime supercavitante
La Coppa America di oggi si corre su AC75: monoscafi di 23 metri senza chiglia, tenuti in volo da T-foil bilanciati sotto una wingsail soffice, barche in cui il controllo del volo è parte del progetto. Ai margini estremi della velocità, quelli del record, il problema cambia ancora natura: con la cavitazione in gioco una simulazione a volumi finiti di un foil supercavitante costa troppo tempo di calcolo per esplorarne molte varianti.
Per questo Cubit, con Syroco e l’Università di Pisa, ha sviluppato un metodo Cavitating Lifting Line, presentato a MARINE 2023: una formulazione ridotta che riproduce il comportamento dei foil supercavitanti con una coerenza entro circa il 5% rispetto ai volumi finiti, in tempi drasticamente inferiori. Il metodo rapido fa da setaccio; ai calcoli pesanti restano i candidati migliori. Sulla stessa linea un’altra attività sui foil supercavitanti, presentata alla CAE Conference 2021, aveva combinato CFD, vincoli strutturali e di producibilità, arrivando a una riduzione di resistenza del 25% rispetto alla soluzione di riferimento.
Il cluster di calcolo e il distretto nautico
Dietro questi lavori c’è un cluster di calcolo ad alte prestazioni (HPC) proprietario, circa 9.216 core per 100 Tflops. Cubit opera nel distretto nautico toscano e mantiene legami con il Master in Yacht Design dell’Università di Pisa. Il lavoro nel settore è raccolto nella pagina Yachting & Marine; il quadro generale delle attività di simulazione è nella pagina di consulenza CFD per applicazioni industriali.
