Partners

Partners

Optimization of ventilated hydrofoils thanks to ANSYS Fluent, CADFEM and artificial intelligence (Version française ci-dessous)

February 2nd, 2021

SP80 aims to reach 80 knots (93 mph) and thus break the World Sailing Speed Record, only powered by the wind. To achieve this goal, the usual sailing codes have to be rethought, especially the hydrodynamic part of the appendages. In order to get the best out of the submerged profiles, the SP80 team has implemented an optimization approach based on cavitation tunnel tests coupled with numerical simulations carried out on ANSYS Fluent, all powered by artificial intelligence thanks to Neural Concept. Throughout the process, CADFEM advised the students and engineers in charge of these simulations, at the heart of the record quest.

Ventilation: an under-exploited phenomenon

Conventional drop-shaped hydrodynamic profiles tend to cavitate at around 50 knots (58 mph): at these speeds, the pressure drop is so important that the water starts to boil on the top surface of the profile. These vapor bubbles cause instability, drag and vibration, which can slow down the acceleration to 93 mph. To get around this problem, other types of profiles were designed in the 1950s mainly for military applications: ventilating profiles. With a triangular shape, this type of profile allows air from the atmosphere to dive into the extrados side caught by the depression, thus forming a large stable air bubble that will prevent cavitation inception: the profile ventilates. Although the performance at low speeds is not as good as that of a conventional profile, it has the advantage of allowing easy and stable acceleration up to 93 mph. Once the Cold War era was over, research into this type of profile became less frequent, hence the need for SP80 to determine internally the optimum profile shape for the record.

Validate the concept empirically through kitesurfing tests

In order to ensure that these ventilating profiles were an interesting solution for the World Sailing Speed Record, the co-founders of SP80 carried out numerous kitesurfing tests, testing more than 30 different profiles in the space of a few months. These tests allowed them to empirically validate the potential of such a solution. Benoit Gaudiot, kitesurfer, co-founder and pilot of the boat says: “I had a real feeling of stability at high speed. We reached more than 40 knots (46 mph) easily and without struggling to accelerate or stay on the board. We knew then that there was something to dig on that side”.

Essential dialogue between experimentation and simulation

Fortified by this experience, the research could then begin! It was essential for the team to combine numerical and experimental tests in order to ensure that the results on these still little-used profiles were consistent. Tests were thus carried out in 2D in the cavitation tunnel of the Laboratory of Hydraulic Machines (LMH) at EPFL, then in 3D at the HEPIA hull basin, then at METAS.

At the same time, a numerical set-up was created on ANSYS Fluent. Here too, studies began in 2D, in order to considerably simplify the problem while remaining faithful to the observations made in the cavitation tunnel. Working in 2D made it possible to avoid modelling the free surface, which can be very complex.  The team was then able to quickly refine all the solver parameters before transposing these settings to a 3D model. After multiple tests and with CADFEM’s valuable advice, the “Volume of Fluid” model, the most common for this type of application, proved to be the most effective for modelling the presence of the two air-water phases. Turbulence, on the other hand, is modelled with the k-omega SST model.

Artificial intelligence at the service of optimization

Once the right parameters had been identified, the hydrodynamics team was able to exploit all the power and robustness of the ANSYS Fluent software: more than 500 simulations were generated in record time! The results obtained were used to feed a neural network, SP80 having chosen to use artificial intelligence to optimize these profiles. Thanks to the EPFL start-up Neural Concept, it was possible to predict the performance of any form of foil from the results obtained on ANSYS Fluent. It was therefore possible to virtually test a very large number of designs and the optimization algorithm developed made it possible to explore shapes that the team might not have thought of with a “conventional” iterative approach. 

The profile thus obtained could therefore be built and then tested in the LMH’s cavitation tunnel to validate its characteristics and confirm a performance gain of almost 20%, which immediately translates in reality into several mph more speed!

CADFEM, a valuable support in setting up simulations

The numerical simulations carried out on ANSYS Fluent were at the heart of the SP80 hydrofoil optimization process and the capabilities offered by the software have resulted in time and precision savings, essential for breaking the world sailing speed record in 2022. In order to make the best use of all the software’s resources, the SP80 hydrodynamics team, composed entirely of EPFL students, was able to count on CADFEM’s invaluable advice, in particular that of Demian Lauper and Christopher Blomberg. Their support helped to improve the simulations carried out on ANSYS Fluent and at the same time allowed the students to perfect their knowledge of the software.

Aurore Kerr, communication manager

Optimisation d’hydrofoils superventilants grâce à ANSYS Fluent, CADFEM et l’intelligence artificielle

2 février 2021

SP80 a pour but d’atteindre 80 nœuds (150 km/h) et ainsi battre le record du monde de vitesse à la voile, propulsé uniquement par le vent. Pour atteindre cet objectif, il faut repenser les codes habituels de la voile, notamment la partie hydrodynamique des appendices. Afin de tirer le meilleur des profils immergés, l’équipe de SP80 a mis en place une approche d’optimisation basée sur des essais en tunnel de cavitation couplés à des simulations numériques réalisés sur ANSYS Fluent, le tout alimenté par de l’intelligence artificielle grâce à Neural Concept. Tout au long du processus, CADFEM a conseillé les étudiants et ingénieurs en charge de ces simulations, au cœur de la quête pour le record.

La superventilation: un phénomène peu exploité

Les profils hydrodynamiques classiques en forme de goutte d’eau ont tendance à caviter aux alentours de 50 nœuds (95 km/h) : à ces vitesses, la baisse de pression est si forte que l’eau se met à bouillir sur l’extrados du profil. Ces bulles de vapeur engendrent instabilité, traînée et vibration, phénomènes freinant l’accélération jusqu’ à 150 km/h. Pour contourner ce problème, d’autres types de profils ont été imaginés dans les années 1950 d’abord principalement pour des applications militaires : les profils superventilants. En forme de triangle, ce type de profil permet à l’air issu de l’atmosphère de s’engouffrer du côté de l’extrados happé par la dépression, formant ainsi une grande bulle d’air stable qui va empêcher la cavitation de se former : on dit que le profil ventile. Bien que les performances à basses vitesses soient moins bonnes que celles d’un profil classique, il a l’avantage de permettre de pouvoir accélérer aisément et de manière stable jusqu’à 150 km/h. Une fois l’époque de la Guerre Froide terminée, les recherches sur ce type de profil se sont espacées d’où la nécessité pour SP80 de déterminer en interne la forme du profil optimal pour le record.

Valider le concept de manière empirique par des essais en kitesurf

Afin de s’assurer que ces profils superventilants constituaient bien une solution intéressante en vue du record du monde de vitesse à la voile, les cofondateurs de SP80 ont réalisé de nombreux essais en kitesurf, testant plus de 30 ailerons différents en l’espace de quelques mois. Ces essais ont permis de valider empiriquement le potentiel d’une telle solution. Benoit Gaudiot, kitesurfer, co-fondateur et pilote du bateau dit : “J’ai eu un réel sentiment de stabilité à haute vitesse. On a atteint plus de 40 nœuds (74 km/h) facilement et sans que je sois en train de me battre pour accélérer ou rester sur la planche. On a alors su qu’il y avait quelque chose à creuser de ce côté-là.”

Dialogue primordial entre expérimentation et simulation

Fort de cette expérience, la recherche pouvait alors commencer ! Il était primordial pour l’équipe de coupler essais numériques et expérimentaux afin de s’assurer de la concordance des résultats sur ces profils encore peu exploités. Des tests ont ainsi été réalisés en 2D dans le tunnel de cavitation du Laboratoire des Machines Hydrauliques (LMH) à l’EPFL puis en 3D au bassin de carène de l’HEPIA, puis du METAS.

En parallèle, un set-up numérique a été mis en place sur ANSYS Fluent. Là aussi, les études ont commencé d’abord en 2D, afin de simplifier considérablement le problème tout en restant fidèle aux observations faites dans le tunnel de cavitation. Travailler en 2D a permis de s’affranchir de la modélisation de la surface libre, qui peut s’avérer très complexe.  L’équipe a alors pu affiner rapidement tous les paramètres du solveur avant de transposer ces réglages sur un modèle en 3D. Au terme de multiples essais et sur les précieux conseils de CADFEM, c’est le modèle de “Volume of Fluid”, le plus courant pour ce genre d’applications qui s’est avéré le plus efficace pour modéliser la présence des deux phases air-eau. La turbulence, quant à elle, est modélisée avec le modèle k-oméga SST.

L’intelligence artificielle au service de l’optimisation

Une fois les bons paramètres identifiés, l’équipe hydrodynamique a pu exploiter toute la puissance et la robustesse du logiciel ANSYS Fluent : plus de 500 simulations ont ainsi pu être générées en un temps record ! Les résultats obtenus ont servi à alimenter un réseau de neurones, SP80 ayant choisi d’utiliser l’intelligence artificielle pour optimiser ces profils. Grâce à la start-up de l’EPFL Neural Concept, il a été possible de prédire les performances de n’importe quelle forme de foil à partir des résultats obtenus sur ANSYS Fluent. Il était dès lors possible de tester virtuellement un très grand nombre de design et l’algorithme d’optimisation développé a permis d’explorer des formes auxquelles l’équipe n’aurait peut-être pas pensé avec une approche itérative “conventionnelle”.

 Le profil ainsi obtenu a donc pu être construit puis testé dans le tunnel de cavitation du LMH pour valider ses caractéristiques et confirmer un gain de performances de près de 20%, ce qui se traduit immédiatement dans la réalité par plusieurs km/h de vitesse en plus !

CADFEM, un soutien précieux dans la mise en place des simulations

Les simulations numériques réalisées sur ANSYS Fluent ont été au cœur du processus d’optimisation des hydrofoils de SP80 et les capacités offertes par le logiciel ont permis un gain de temps et de précision, indispensables pour battre le record du monde de vitesse à la voile en 2022. Afin d’exploiter au mieux toutes les ressources du logiciel, l’équipe hydrodynamique de SP80, composée uniquement d’étudiants de l’EPFL, a pu compter sur les précieux conseils de CADFEM, en particulier de Demian Lauper et Christopher Blomberg. Leur soutien a contribué à améliorer les simulations réalisées sur ANSYS Fluent et a par la même occasion, permis aux étudiants de parfaire leurs connaissances sur le logiciel.

Aurore Kerr, communication manager

Subscribe to SP80's newsletter

Copyright 2021 | SP80 | All Rights Reserved