Development of an open-source CFD model for the dynamic analysis of a rowing boat

This thesis aims to analyse a commercially available rowing boat using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation techniques. It is part of a broader product development project whose goal is to introduce in the market an innovative rowing boat, both from a hydrodynamic and mechanical point of view. The thesis is carried out at R.I.C. Srl, a company specializing in the design and production of carbon fibre components using lamination and compression moulding techniques. The thesis is divided into three main sections: an introduction to Computational Fluid Dynamics (CFD) and the software used, validation of the fluid dynamics model and computational mesh, and a dynamic analysis of the boat in calm water. Each section is divided into several chapters that provide an in-depth look at the fluid dynamics of boats, especially displacement and semiplaning hulls, the structure of the CFD code and mesher, the results obtained, and the Python code used for the dynamic model. The software chosen for the CFD analysis is OpenFOAM, whose versatility, customizability, and efficiency made it particularly suitable for this pioneering work for the company. Three-dimensional, unsteady RANS simulations were performed, including free surface modelling using the VOF (Volume of Fluid) method. The mesh is structured, and features anisotropic refinement near the free surface to accurately capture wave formation around the hull. The boundary layer was resolved by maintaining the Wall y+ value in the range [30, 300]. A simplified assumption of no wave motion and a stationary athlete center of mass was adopted. The objective is to quantify the hydrodynamic resistance and evaluate the stability of commercially available rowing boat, and laying a solid foundation for the hydrodynamic study of an innovative rowing shell.

La presente tesi si pone l'obbiettivo di analizzare un'imbarcazione da canottaggio attualmente in commercio utilizzando tecniche di simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) e si colloca all'interno di un percorso di sviluppo prodotto molto più ampio, il cui obiettivo è quello di introdurre nel mercato un'imbarcazione da canottaggio innovativa, sia sotto il punto di vista fluidodinamico che meccanico. La tesi è svolta presso l'azienda R.I.C. Srl, che si occupa di progettare e produrre di componenti in fibra di carbonio, con le tecniche della laminazione e del compression molding. La tesi si sviluppa in tre sezioni principali: Introduzione alla fluidodinamica computazionale (CFD) e ai software di calcolo utilizzati, validazione del modello fluidodinamico e della griglia di calcolo, e analisi dinamica dell'imbarcazione in acqua calma. Ogni sezione si divide in più capitoli, nei quali si avrà occasione di approfondire nel dettaglio la fluidodinamica delle imbarcazioni, in particolare quelle dislocanti e semi-plananti, la struttura del codice CFD, del mesher, i risultati ottenuti e il codice Python del modello dinamico. Il software scelto per eseguire l'analisi fluidodinamica è OpenFOAM: la grande versatilità, possibilità di personalizzazione e efficienza lo hanno reso adatto per questo lavoro pionieristico per l'azienda. Sono state eseguite simulazioni RANS tridimensionali, non stazionarie, con modellazione della superficie libera utilizzando il metodo VOF (Volume of Fluid). La mesh è strutturata e in corrispondenza della superficie libera presenta una raffinazione anisotropa per catturare al meglio la formazione dell'onda attorno allo scafo. Il calcolo dello strato limite è stato eseguito mantenendo il valore del Wall y+ nell'intervallo [30, 300]. Viene fatta l'ipotesi non realistica di assenza di moto ondoso e stazionarietà del baricentro dell'atleta. L'obiettivo è quello di quantificare la resistenza idrodinamica e valutare la stabilità di un'imbarcazione attualmente in commercio, e porre solide basi per lo studio fluidodinamico di un'imbarcazione da canottaggio innovativa.