Valutazione del wind comfort su una Ro-pox di 250mt mediante codice di fluidodinamica computazionale

Università degli Studi di Napoli Federico II

Scuola Politecnica e delle Scienze di Base

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Navale

Classe di Laurea LM-34

Elaborato di Laurea in Metodi Numerici per l’Architettura Navale

Valutazione del wind comfort su una Ro-pax di 250 mt mediante

codice di fluidodinamica computazionale

ANNO ACCADEMICO 2024/2025 3

Sommario

___________________________________________________________________ 6

Abstract

CAPITOLO 1 ______________________________________________________________ 7

INTRODUZIONE AL PROBLEMA DEL WIND COMFORT _______________________ 7

1.1 Profilo del vento _________________________________________________________ 8

1.2 Flusso d’aria intorno un edificio ____________________________________________ 13

1.3 Criteri di tollerabilità ____________________________________________________ 15

1.3.1 Metodi di valutazione __________________________________________________ 16

1.3.2 La normativa NORSOK ________________________________________________ 17

CAPITOLO 2 _____________________________________________________________ 19

CASO STUDIO ___________________________________________________________ 19

2.1 La modellazione 3D CAD ________________________________________________ 24

2.2 L’importanza della CFD come strumento ____________________________________ 29

CAPITOLO 3 _____________________________________________________________ 30

METODI NUMERICI ______________________________________________________ 30

3.1 Equazioni di Navier-Stokes _______________________________________________ 31

3.1.1 Flussi laminari e turbolenti e modelli di fluido ___________________________ 33

3.2 Modello RANS e media alla Reynolds ______________________________________ 38

3.3 Law wall ______________________________________________________________ 42

3.4 La griglia numerica (Mesh) _______________________________________________ 51

3.4.1 Stabilità, convergenza e consistenza _______________________________________ 55

CAPITOLO 4 _____________________________________________________________ 57

UTILIZZO DEL SOFTWARE PER IL CASO STUDIO ___________________________ 57

4.1 Pre-processing _________________________________________________________ 58

4.2 Solving _______________________________________________________________ 62

4.3 Post-processing ______________________________________________________ 63

4.3.1 Distribuzione della velocità __________________________________________ 64

4.3.2 Probes: utilizzo e funzionalità ____________________________________________ 65

4.3.3 Wind turbolence intensity (TI) ________________________________________ 66

4.4 Risultati ottenuti: considerazioni sulla Turbolence intensity ___________________ 67

4.5 Considerazioni sulla componente laterale di velocità ________________________ 76

CAPITOLO 5 _____________________________________________________________ 86

LE PRESTAZIONI DEL DEVIATORE ________________________________________ 86

5.1 Considerazioni e conclusioni ______________________________________________ 88

4

Bibliografia _______________________________________________________________ 90

_______________________________________________ 91

Appendice - Estratti dei probes __________________________________________ 116

Appendice – Scene dalle simulazioni 5

Abstract

The aim of this study is to assess the issue of aerodynamic comfort on board passenger ships

by simulating various realistic scenarios in which the vessel may operate, using computational

fluid dynamics (CFD) tools. Initially considered a problem typical of the civil sector, wind

comfort has also become relevant in the maritime field.

By assimilating the ship’s superstructure to architectural buildings, it was possible to simulate

wind behavior and its interaction with obstacles. The vessel under analysis, which particularly

suffers from wind comfort issues, is the of the Grimaldi fleet. It was first

Cruise Barcelona

modeled in 3D using Rhinoceros software; subsequently, based on the principles of numerical

methods that govern CFD, the STAR-CCM+ software was used to introduce models

representative of the real case.

Special attention was paid to the flow deflector, a key element of the study, as it was initially

installed on board before the ship’s lengthening with the aim of diverting turbulent flow away

from the lounge area. By simulating three different wind speeds, four wind incidence angles,

and two configurations (with and without deflector), a total of 24 simulations were performed.

This allowed for a comprehensive assessment of the onboard turbulence that contributes to

discomfort for passengers.

The key parameter analyzed was the Turbulence Intensity (TI), calculated after extracting

velocity field data from line probes placed on board. The simulations led to important

evaluations and conclusions: wind discomfort and gust issues were found to be most significant

in beam wind conditions (crosswind). Meanwhile, further optimization of the deflector

geometry or other corrective measures is needed, as the component proved ineffective in the

simulations—despite having been originally designed for headwind conditions—to divert

turbulent wakes away from the lounge area. 6

CAPITOLO 1

INTRODUZIONE AL PROBLEMA DEL WIND

COMFORT

Nel primo capitolo viene descritto il problema che è alla base dello studio di ricerca di questo

elaborato; in accordo con la società armatrice Grimaldi, che ha sede a Napoli, ci si è posti

l’obiettivo di analizzare un problema esistente realmente sulle navi passeggeri delle loro flotte,

ossia quello del comfort aerodinamico, una situazione di vento eccessivo e fastidioso, che si

presenta durante la navigazione sui ponti esposti delle sovrastrutture e che comporta disagio

alle persone. Verrà poi descritto nel dettaglio ogni passo compiuto che ha portato alla

formalizzazione del problema, alla sua analisi ed infine alle conclusioni e al contributo in

termini di soluzione che, si spera, sia utile sia per la società armatrice, sia come getto di base

per gli studi che seguiranno.

Con il termine “Wind tradotto come “valutazione del comfort

comfort assessement”,

aerodinamico”, si vuole intendere una valutazione degli effetti del vento sulle persone, tema

centrale nell’ingegneria civile e nelle costruzioni edilizie e urbane. Ciò non toglie che questo

può avere, ed ha, influenza anche in altri campi, come quello navale. Una leggera brezza che

soffia risulta piacevole o addirittura benefica in giornate particolarmente calde, mentre ad

esempio forti raffiche di vento rendono fastidiosa la permanenza. Come possiamo, da ingegneri,

risolvere o quantomeno arginare questo tipo di problema? Si inizia col dire che l’opera morta

della nave, la sua parte emersa, vale a dire quella effettivamente esposta all’aria, è composta da

sovrastrutture, ponti, spazi aperti e aree comuni, e l’interazione fra questi e il vento può generare

turbolenze o zone di sovrappressione che rendono scomodo l’ambiente. Inoltre, il vento può

influenzare negativamente l’esperienza a bordo dei passeggeri e tale problematica è ancor più

presente sulle navi da crociera o traghetti, per le quali il comfort delle persone appunto risulta

essere un aspetto cruciale e una ragion d’essere delle stesse. È chiaro che una situazione di

discomfort e disagio per i passeggeri e le relative recensioni al riguardo penalizzano le

compagnie armatoriali che ne traggono grossi svantaggi, perlopiù economici. Talvolta questo

fenomeno è anche pericoloso poiché può rappresentare un ostacolo alle attività di ormeggio,

disormeggio, accosto e manovra svolte dall’equipaggio, andando ad incidere sulla sicurezza

dello svolgimento delle mansioni. C’è da specificare che quanto più le navi sono sviluppate in

7

altezza, come va del resto il trend nel mondo crocieristico, tanto più si enfatizza il problema.

Per tale ragione lo studio del wind comfort ha assunto una importanza sempre più rilevante:

non solo, dunque, per il relax e il benessere dei passeggeri ma anche per l’aspetto sicurezza al

fine di ridurre al minimo il numero di possibili incidenti anche nelle condizioni metereologiche

più severe. Considerando le sovrastrutture con lo stesso approccio di una costruzione edile

poiché il concetto è pressochè estendibile alla nave essendo che i volumi di interesse possono

ricondursi alle schematizzazioni degli edifici civili, si vuole in questo lavoro di tesi valutare le

condizioni aerodinamiche sulle superfici esposte, analizzare il profilo del vento e i parametri di

interesse e vedere come la configurazione della sovrastruttura distorce il flusso e lo devia.

Comprendere il comportamento del vento sulle superfici della nave, infatti, consente di

migliorare la progettazione di costruzioni future e cercare di limitare il problema già sin dalle

prime fasi del progetto.

1.1 Profilo del vento

Il vento influenza gli spazi pubblici come strade, parchi, caffè all’aperto e altri ancora, nel

contesto dello sviluppo urbano; per capire però “come” esso li influenza occorre fare delle

simulazioni e discuterne e poi eventualmente attuare delle azioni correttive per arginarne gli

effetti. Andando a caratterizzare il profilo della velocità media del vento, si ha che la velocità

al livello del suolo è molto bassa, poi aumenta con l’altezza in modo logaritmico o esponenziale,

che sono i due modi disponibili in letteratura per formalizzarlo, ma il suo valore è massimo a

seconda del tipo di terreno e di spazio che si sta considerando e a seconda se sono presenti o

meno degli “ostacoli” al percorso del flusso libero. La formulazione del profilo cui ci si è riferiti

poc’anzi è di tipo semi-empirica, comunemente usata per descrivere la distribuzione verticale

della velocità media orizzontale del vento all’interno della porzione più bassa dello strato limite

atmosferico (in inglese atmospheric boundary layer abbreviato ABL). Quest’ultimo è definito

come la parte più bassa dell’atmosfera terrestre che risente direttamente della superficie, sia

essa suolo o mare. Il suo spessore varia da una decina di metri fino a un paio di chilometri e ciò

dipende da molteplici fattori, dall’altezza e lunghezza del corpo investito e dalle condizioni

meteo. Si ricorda che la rugosità intesa in questo studio è vista come un indicatore di un ostacolo

8

e quindi una resistenza al flusso libero del vento; gli ostacoli possono essere naturali come gli

alberi o artificiali come i palazzi.

Secondo le norme dell’Eurocodice EN 1991-1-4 la velocità di riferimento ad una certa quota z

viene modificata in base alla rugosità e in base quindi al coefficiente di rugosità. In formule

dettate dall’apposito regolamento citato: ()

∗ ∗

() = (1.1)

Dove:

• v(z): velocità del vento che si vuole calcolare a una certa quota z;

• v : velocità di riferimento;

b

• c : coefficiente di rugosità che varia in funzione della quota ed è dato dal rapporto tra

r , dove quest’ultimo rappresenta tecnicamente il punto in cui la velocità è

la quota z e z 0

pari a zero;

• c : coefficiente orografico, usato per individuare i tipi di terreno (costa, collina,

0

territorio pianeggiante).

Da ciò si capisce che se la superficie è priva di rugosità e dunque di ostacoli il vento tende

a scorrere sopra con più facilità e quindi accelera rapidamente salendo in quota. Invece, se

il vento lungo il suo percorso incontra numerose rugosità, per esempio come in un centro

abitato, serve un’altezza maggiore per raggiungere un alto valore di velocità come quello di

flusso libero. Il che vuol dire che per un terreno molto rugoso e ostacolato la velocità del

vento a quel livello z misurata sarà più bassa. Nel caso di applicazione si vedrà il vento, che

già di per sé possiede una certa intensità, soffia sulla superficie del mare e poi incontra

l’ostacolo rappresentato dalla prua della nave e a seguire tutta la struttura dietro stante. 9

CATEGORIA DI DESCRIZIONE RUGOSITA' ESEMPI

TERRENO

0 superfici lisce 0,0002 mare aperto

1 terreno aperto 0,01 campi arati

campagna con alberi

2 terreno con ostacoli bassi 0,05 sparsi

terreno urbanizzato

3 0,3 aree industriali

moderatamente

4 terreno urbanizzato densamente 1 città grandi

Tabella 1.1 Valori di rugosità per vari tipi di terreni

Nella formulazione logaritmica, la forma dei singoli profili del vento è determinata dalla

lunghezza di rugosità z che è espressa in metri; essa la si valuta andando a vedere dove la

0

velocità è nulla. In formule per il terreno piatto, il profilo medio del vento logaritmico può

essere calcolato con la seguente: .

()

= 0.19 ∗ ∗ ln ∗ ≥ (1.2)

.

Dove v è la velocità media di base a 10 m di altezza nel terreno di riferimento (paesaggio

• b

aperto, pianura erbosa, piste di aeroporto ecc).

z è l'altezza sopra il suolo.

• z0 è la lunghezza di rugosità.

•

Invece nel caso in cui la formulazione del profilo avviene seguendo una legge esponenziale

(si parla di profilo esponenziale), si utilizza una velocità che si differenzia in base al tipo di

terreno; questo risulta essere un approccio ingegneristico semplificato:

() ∗

= (1.3)

10

Dove

• v si riferisce alla velocità di base per un terreno specifico, cioè, deve essere determinata

b

per la categoria di terreno in questione;

• è un coefficiente derivato empiricamente.

In linea generale valgono le seguenti considerazioni: il profilo del vento logaritmico è

generalmente considerato uno stimatore più affidabile della velocità media del vento rispetto

alla legge di potenza nei 10-20 m più bassi dello strato limite planetario, poiché appunto il

profilo logaritmico si basa sulla teoria del flusso dello strato limite atmosferico. Tra 20 e 100

metri entrambi i metodi possono produrre previsioni ragionevoli della velocità media del vento

in condizioni atmosferiche pressoché neutre. Da 100 m fino a quasi la sommità dello strato

limite atmosferico la legge di potenza produce previsioni più accurate della velocità media del

vento e questo perché ci si allontana dallo strato limite planetario e dunque ha senso un

approccio diversificato e più semplificato.

Come influenze principali nell’ABL ci sono l’attrito del vento con la superficie, scambi termici

e di umidità e presenza di ostacoli che influiscono sul flusso. Uno dei fenomeni maggiormente

importanti nell’ABL è la turbolenza atmosferica.

Pertanto, a valle delle considerazioni, in uno spazio aperto senza ostacoli come il mare aperto

o praterie, il profilo sarà più basso perché la velocità tenderà subito a raggiungere un valore

massimo, mentre nelle aree urbane dove il terreno è caratterizzato da edifici e strutture, quindi

il flusso è molto ostacolato, il profilo del vento risulterà essere più alto.

Di seguito un’immagine contenente i vari profili del vento e come essi si differenziano nei

quattro casi diversi: in mare aperto, in terreno aperto, nel sobborgo di foresta e infine nel centro

città: 11

Figura 1. 1 Immagine tratta dall’articolo “Wind and the city”, Hans Holger Hundborg Koss,

Technical University of Denmark (DTU), Dep. of Civil Engineering

Oltre al profilo del vento, è necessaria una descrizione riguardo ad altri aspetti, alla sua

direzione e intensità per discutere delle condizioni di vento nei luoghi aperti e nei centri urbani.

Queste informazioni possono essere utilizzate per identificare le direzioni del vento più

rilevanti, se ce ne sono, e pertanto caratterizzare solo il profilo del vento non basta per

apprezzarne a pieno gli effetti: bisogna fare delle considerazioni anche per quanto riguarda

l’intensità.

I dati statistici del vento sono solitamente forniti dagli istituti meteorologici nazionali. Quindi

riassumendo le tre qualità importanti per caratterizzare questo fenomeno sono 3:

• la velocità del vento, che al suolo è prossima a 0;

• il profilo del vento aumenta con l’altezza secondo una legge esponenziale o logaritmica

a seconda dei modelli che si sceglie di applicare;

• più il terreno è irregolare, più il profilo sarà alto. 12

1.2 Flusso d’aria intorno un edificio

Il vento non ha velocità costante con l’altezza. A livello del suolo è rallentato dalla rugosità

del terreno (cioè la presenza eventuale di alberi, edifici, ecc.), mentre salendo, incontra meno

ostacoli e accelera.

Per comprendere come agisce il vento nel caso studio delle sovrastrutture navali, si parte dal

capire prima come esso agisce su un edificio terrestre semplice a pianta rettangolare. Il

comportamento chiaramente è equivalente a quello che si avrebbe nel caso in cui il vento

investisse gli ostacoli presenti sulle sovrastrutture e i ponti esposti. L’edificio preso come

esempio, così come qualunque altra struttura, ostacola il percorso del vento modificandone la

direzione e la velocità. Questo cambiamento del flusso d’aria produce dei fenomeni come

turbolenze, vortici che influiscono sul comfort delle persone che si trovano nei dintorni. È

importante capire la dinamica che ne scaturisce dall’impatto del vento con un edificio per

poterne studiare meglio gli effetti. Di seguito una schematizzazione del comportamento del

flusso:

Figura 1. 2 Immagine tratta dall’articolo “Wind and the city”, Hans Holger Hundborg Koss,

Technical Univers