Via Mare – By SeaVia Mare – By Sea01/200401/2004 99

Fabio Fossati , Giorgio Diana (Politecnico di Milano)

Ve laVe la Sa i l ingSa i l ing

Sommario

Il presente lavoro descrive lemetodologie attualmente in usopresso la galleria del vento delPolitecnico di Milano per effet-tuare prove dell’attrezzaturavelica su modelli in scala di im-barcazioni da regata e da cro-ciera.

Introduzione

Il miglioramento dei materialie delle capacità di progettodelle vele ha rivoluzionatocompletamente il processoproduttivo delle vele: il dise-gno di una vela che fino apochi anni or sono era conside-rato un’arte si è trasformato inscienza: oggi in qualsiasi vele-ria si trovano sistemi CAD/CAM che consentono di pas-sare dalla forma 3D della veladisegnata su uno schermo alprocesso di taglio computeriz-zato dei tessuti nei ferzi che larealizzeranno, o addirittura allarealizzazione di uno stampo sucui i tessuti verranno successi-vamente laminati insieme allefibre di rinforzo.Da un punto di vista stretta-mente aerodinamico, una velaè un sistema piuttosto comples-so da studiare: ad esempio unavela nelle andature di bolina sicomporta come un profilo sot-tile interessato da strato limiteturbolento, mentre la stessa ve-la nelle andature più larghe pre-senta grandi zone interessate daseparazione del flusso: ciò si-gnifica che dovranno necessa-riamente tenuti in considerazio-ne gli approcci e i metodi co-muni ad altri casi di interesseingegneristico quali il compor-

tamento dei bluff-bodies (comegli edifici o i veicoli) così comequello dei profili alari ai quali èpossibile applicare i metodiconvenzionali dell’aeronautica.Un ulteriore motivo di com-plessità risiede nel fatto che levele hanno una forma variabilesia per la deformabilità del ma-teriale con cui sono realizzatesia per l’effetto delle regolazio-ni impartite dall’equipaggio

durante la navigazione e questorende il problema tipicamenteaeroelastico: in altri termini iltipo di forze che una vela è ingrado di sviluppare dipende daltipo di flusso che si stabiliscenell’intorno della vela, che èfunzione del tipo di forma as-sunta dalla vela che, a suavolta, dipende dal tipo di flus-so. Infine, un motivo che rendemolto diverso (ed anche mag-giormente complesso) lo studiodi un piano velico rispetto adaltri casi (quali quelli citati inprecedenza) è l’utilizzo finaledelle informazioni riguardantil’aerodinamica del piano velicostesso.Nel caso delle imbarcazioni avela ciò è molto difficile edinoltre dal momento che l’im-barcazione è un sistema che sitrova ad interagire con due

Summary

This study will show the me-thodologies currently used atthe Wind Tunnel of the Po-lytechnic of Milan to test thesailing rigs of race and cruisesailing boats models.

Introduction

The improvement of materials

and design systems concern-ing the sails, has produced areal breakthrough in the pro-duction process: the sail de-sign, which till a few yearsago was considered an art hasnow become a science. Todayevery sail maker has CAD/CAM systems which allow toshift from the 3D shape of thesail drawn on a monitor to thecomputerised cutting processof the sail material, even tothe building of a mould intowhich the fabrics will be thenlaminated with the reinforcefibres. From the strictly aero-dynamic point of view, a sailis a rather complex system toanalyse: for example, a sailhauled windward behaves asa thin profile affected by a tur-bulent boundary layer, whilesailing aft shows large areas

concerned by flow separation.This meansthat approachesand methods usual in othertechnical fields such as thebluff-bodies behaviour (likebuildings or vehicles) shall betaken into account, as well asthe wing profiles to which theaerodynamics conventionalmethods can be applied.Another reason of complexityis the variable shape of thesails due to the deformabilityof the material and to the ef-fects produced by the currenttack manoeuvres, thus makingthe problem typically aero-elastic. In other words, the ty-pe of force the sail can devel-op depends on the flow gener-ated around it, which is afunction of the shape taken bythe sail, which, in turn,depends on the flow. Finally, areason why the study of a sailplan is different and also moredifficult, compared with othercases, (as those quoted above)is the final use of data on theaerodynamics of the sail planitself. In the case of sailboatsthis is very complex and sincethe boat is a system interact-ing with two different fluids, agood knowledge of the boataerodynamics means also agood understanding of thehull’s hydrodynamic behav-iour. The aim while designinga race boat is the capability ofsailing at a higher speed thanby other boat, therefore theaerodynamic problem cannotbe tackled separately from theconsiderations about the hull,the wind conditions, the rat-ing regulations, the route andso on. As the final behaviourof the sail boat depends both

L’ottimizzazione del

piano velico attraverso

la ricerca in galleria

del vento

Optimisation of

the Sail Plane

Through Research

in the Wind Tunnel

[Fig. 1] - Schema del circuito seguito dal vento nell’impianto / Schemeof the wind tunnel circuit

Via Mare – By SeaVia Mare – By Sea 01/200401/20041 01 0

Ve laVe la Sa i l ingSa i l ing

fluidi diversi una buona com-prensione dell’aerodinamicadell’imbarcazione richiede u-na altrettanto buona compren-sione del comportamento i-drodinamico dello scafo. Nelprogetto di un’imbarcazioneda regata l’obiettivo è quellodi poter navigare lungo uncerto percorso più velocemen-te di ogni altra barca e risultaquindi chiaro che il problemaaerodinamico non può essereaffrontato separatamente daconsiderazioni riguardanti loscafo, il regime di venti che siincontreranno, il regolamentodi stazza, il percorso e cosìvia. Proprio per il fatto che ilcomportamento finale del-l’imbarcazione a vela dipendesia dagli effetti aerodinamiciche da quelli idrodinamici iprimi programmi per la previ-sione delle prestazioni [5](che sono denominati condicitura anglosassone VelocityPrediction Programs o conl’acronimo VPP) utilizzavanocoefficienti aerodinamici delpiano velico determinati nonda attività di ricerca specificasulle vele ma dedotti utiliz-zando la velocità che l’imbar-cazione raggiungeva unavolta costruita, mentre i coef-ficienti idrodinamici delloscafo sono in generale semprestati ricavati da campagne dimisura condotte in vasca na-vale su modelli in scala.I metodi che vengono attual-mente utilizzati nel tentativodi caratterizzare un piano ve-lico sono l’esecuzione di testo in galleria del vento su mo-delli in scala [4] oppure alreale e l’utilizzo della fluido-dinamica computazionale.I metodi numerici sono, allostato attuale, ben sviluppati peril progetto delle vele da bolinama sono ancora inadeguati peril progetto delle vele per anda-ture portanti: ciò è legato alfatto che le tecniche numerichesviluppate per il settore aero-nautico possono essere applica-te alle vele da bolina che, comeaccennato in precedenza, sicomportano come profili aero-dinamici sottili interessati solomodestamente da fenomeni diseparazione del flusso (1), (2),(3), mentre è molto più com-

plesso risolvere il flusso che sistabilisce nell’intorno di unospinnaker o di un gennaker chea causa della loro grande curva-tura sono spesso interessati daimportanti zone di separazione.È inoltre da tenere presente chei metodi numerici non sono difatto applicabili allo studio delmeccanismo aeroelastico chegoverna il comportamento diqueste vele caratterizzate dagrande flessibilità e da una for-ma molto variabile.Per quanto riguarda l’esecuzio-ne di test al reale, recentemente(6) sono stati effettuati dei ten-tativi di ricavare i coefficientiaerodinamici sperimentalmen-te realizzando una sorta didinamometro navigante: si trat-ta in pratica di un’imbarcazionedi 10 [m] completamente stru-mentata e realizzata in modoche i carichi provenienti dallevele, dall’albero dai sistemi diregolazione vengono convo-gliati attraverso un telaio cherisulta poi vincolato al restodello scafo mediante una bilan-cia dinamometrica a 6 compo-nenti. In tal modo si è tentato dipervenire alla misura dei coef-ficienti aerodinamici del pianovelico direttamente nelle condi-zioni reali di esercizio; tuttaviaoltre agli elevatissimi onerieconomici che occorre sostene-re con tale approccio, i risultatiottenuti presentano una notevo-lissima dispersione. Gli studi ingalleria del vento su modelli inscala risultano decisamente piùattraenti sia per ragioni econo-miche che per il fatto che con-sentono di effettuare confrontitra diverse soluzioni (diversiarmamenti e diverse vele) incondizioni controllate. Inoltre itest in galleria richiedono mol-to meno tempo di quelli al realein quanto le variazioni al pianovelico sono molto più rapide,

on the aerodynamic effectsand on the hydrodynamic o-nes, the first of the perfor-mance prediction programs(5) (which are called VelocityPrediction Programs or VPP)utilised aerodynamics coeffi-cients of the sail plan, notdeterminated by specific re-searches on sails, but deducedfrom the speed rate reachedby the boat when sailing, whi-le the coefficients of hy-drodynamics of the hull, gen-erally, have always beendrawn from measuring cyclescarried out in the test tank onscale models.The methods that are current-ly used in the attempt to char-acterise a sail plan are the ac-complishment of test either inthe wind tunnel on scale mod-els (4) or at real conditionswith the use of the fluid dy-namics calculations.Nowadays, the digital meth-ods are well developed for thedesign of close-haul sails, butare still unsatisfactory re-garding the design of carryingsails. This is related to the factthat the numerical techniquesdeveloped for the aeronauti-cal sector can be applied theclose-hauled sails, which, asit was mentioned above,behave as thin aerodynamicprofiles, scarcely affected bythe phenomenon of the flowseparation (1), (2), (3), whileit’ s more difficult to solve theflow around a spinnaker or agennaker which, due to theirgreat curvature are often af-fected by large separation zo-nes. It also should be takeninto account that the digitalmethods cannot be applied tothe analysis of the aeroelasticmechanism, responsible forthe behaviour of these sails,characterised by a high flexi-

bility and by a changing sha-pe. Concerning the carryingout of test in real conditions,recently (6) some attemptswere done to obtain the coeffi-cients of aerodynamics de-signing a kind of sailing dy-namometer: a 10 mt boat,completely equipped and builtto convey the loads from thesails, the mast and the adjust-ment systems, through a framewhich is also connected to therest of the hull by a dynamo-metrical 6-component-balan-ce. Thus the attempt wasmade to measure the sail planarea coefficients of aerody-namics on real working con-ditions but besides the veryhigh costs of this technique,the results achieved are notstrictly under control. Thestudies in the wind tunnel onscale models are definitelymore attractive not only eco-nomically but also becausethey permit comparison bet-ween several solutions ( dif-ferent riggings and sails)under controlled conditions.Furthermore, tests in the windtunnel require a shorter timethan those carried out on realconditions, as the modifica-tions of the sail plan are muchquicker, there are no climateeffects and so on.This study shows the test me-thods developed in the WindTunnel of the Milan Polytech-nic to carry out test of thenautical rigs on scale modelsof pleasure and racing boats.

Details of the systemused

The wind tunnel system ofMilan Polytechnic was desi-gned with the purpose of pro-viding a tool for the widerapplication spectrum as pos-sible. To do so, it was neces-sary to adopt innovative un-conventional solutions.The modelling used, is a closecircuit with two test sectionslocated at different heights[Fig. 1].The test of the sail plan areasare carried out in the civiliantest section at a low speedrate. In the measuring zonethe wind tunnel is provided

[Fig. 2] - Vista in pianta della camera a bassa velocità / Plan of low speedsection

Via Mare – By SeaVia Mare – By Sea01/200401/2004 1 11 1

Ve laVe la Sa i l ingSa i l ing

with a 13 m diameter turningtable which allows the orien-tation of the model to the winddirection [Fig. 2] At the en-trance of the test section thereis a heat exchanger.In the lower section [Fig. 3]horizontal line it is possible toreach the higher speed ratesof the jet flow next to 60 (m/s)and with very low turbulencerates. This section can be usedsuccessfully for the research

in progress execut-ing test of the hullappendixes and theiroptimisation.The wind tunnel isequipped with 14axial fans [Fig. 4]divided into two 7units each arrays.The boat model is

mounted on a dynamometricbalance that is placed on theturning table of the test sec-tion, whose angle can bechanged by the control panelof the wind tunnel. Since themodel is not in motion, theapparent wind direction, themain variable from which theaerodynamic conditions of thesail plan area depends, coin-cides with the real wind direc-tion [Fig. 5] that is, with the

orientation of the model overthe longitudinal axis of thewind tunnel.The optimal model scale is inthe order of (1:10) - (1:15):such sizes are due to variousconsiderations such as the

highest reduction of the block-ing effects (generally in thesecases it is possible to set a sailsurface/section surface ratio,lower than 5%), keeping at thesame time the possibility toproduce sail models using thesame techniques as in the sailslofts as well as the possibilityto use all the componentsavailable for design and con-struction of boat models suchas masts, pulleys, screw cou-plings, winches for the decksheet stretching, and finallyreproduce at a good standardmany boat details, useful forthe so called windage effects.Moreover it is better to posi-tion the models on the dyna-mometer balance with variousheeling angles, in order to in-vestigate the possible effectsof this variable on the aerody-namic behaviour of the sailplan. [Fig. 6] shows a fewdetails of a model used at thewind tunnel equipped with allthe above mentioned featuresand particularly, the capabili-ty of making two adjustmentsof the spanker (traction of thesheet and position of thespanker support) and twoadjustment of the jib (tractionof the sheet and position of the

sheet point): these are themost important as they allowto operate in the jet attach-ment angle to the profiles andto change the sail twist. Stillreferring to the model of [Fig.6] there is the possibility to

non ci sono effetti meteorolo-gici ecc.Il presente lavoro descrive lemetodologie sviluppate pressola galleria del vento del Poli-tecnico di Milano per effettuareprove dell’attrezzatura velicasu modelli in scala di imbarca-zioni da regata e da crociera.

Descrizione dell’impian-to utilizzato

L’impianto della galleria delvento del Politecnico di Mila-no, è stato ideato con l’obietti-vo di fornire uno strumento peruno spettro il più ampio possi-bile di applicazioni; per per-mettere ciò è stato necessarioricorrere a soluzioni innovativee certamente non convenziona-li. La configurazione che è stataadottata, anche per rispettarevincoli ambientali imposti, è acircuito chiuso, con due came-re di prova poste a quote diffe-renti [Fig. 1].Le prove sui piani velici vengo-no effettuate nella camera diprova civile a bassa velocità.Nella zona di misura la galleriaè dotata di una piattaformagirevole di diametro pari a 13[m] che permette di definirel’orientazione del modello ri-spetto alla direzione di prove-nienza del vento [Fig. 2].All’ingresso della sezione diprova è posto uno scambiatoredi calore.Nella camera inferiore, [Fig. 3],sezione orizzontale, è possibileraggiungere velocità della venafluida più elevate, prossime ai60 [m/s] e con livelli di turbo-lenza bassissimi. Questa se-zione nell’ambito della ricer-ca su imbarcazioni può esse-re vantaggiosamente utiliz-zata per prove su appendicidi carena e per la loro ottimiz-zazione.La galleria del vento è dotata di14 ventilatori assiali [Fig. 4]divisi in due schiere da setteventilatori ciascuna.

Descrizione delle moda-lità di prova

Il modello dell’imbarcazioneviene montato su di una bilan-cia dinamometrica che si tro-va a sua volta posta sulla piat-

taforma girevole della cameradi prova, il cui angolo puòessere variato dalla consolledi comando della galleria. Dalmomento che il modello non èdotato di movimento, l’angoloal vento apparente, la princi-pale variabile dalla quale di-pendono le caratteristiche ae-rodinamiche del piano velico,risulta essere coincidente conl’angolo al vento reale [Fig. 5]ovvero con l’orientazione del

modello rispetto all’asse lon-gitudinale della galleria.La scala dei modelli ottimaleè dell’ordine di (1:10) -(1:15): tali dimensioni sonodovute a una serie di consi-derazioni (4) quali ridurre ilpiù possibile gli effetti dibloccaggio (normalmente inquesti casi si riescono a rea-lizzare rapporti tra la superfi-cie velica e l’area della se-zione di prova inferiori al5%) mantenendo al contem-po la possibilità di produrre imodelli delle vele con lemedesime tecniche normal-mente utilizzate in veleria, lapossibilità di poter utilizzaretutta la componentistica di-sponibile per la modellisticanavale hobbistica quali albe-ri, pulegge, arridatoi, verri-celli per il tensionamentodelle scotte, ed infine di po-ter riprodurre comunque adun buon livello di dettagliomolti dei particolari dell’im-barcazione che possono esse-re utili alla caratterizzazionedei cosiddetti effetti di resi-stenza da sovrastrutture (wind-age effects con dicitura an-glosassone).È inoltre opportuno poter farein modo che i modelli venganoposizionati sulla bilancia dina-mometrica con diversi angolidi sbandamento, allo scopo dipoter indagare gli eventualieffetti di questa variabile sulcomportamento aerodinamico

[Fig. 3] - Vista in pianta della camera ad altavelocità / Plan of high speed section

[Fig. 4] - I ventilatori della galleria / The wind tunnel fans

Via Mare – By SeaVia Mare – By Sea 01/200401/20041 21 2

Ve laVe la Sa i l ingSa i l ing

del piano velico in esame. La[Fig. 6] mostra alcuni partico-lari di un modello, in uso pres-so la galleria del vento, dotatodi tutte le caratteristiche men-

zionate ed in particolare dipoter gestire due regolazioniper la randa (tensione dellascotta e posizione del trasto diranda) e due regolazioni per ilfiocco (tensione della scotta eposizione del punto di scotta):queste sono le regolazioni piùimportanti in quanto permet-tono di intervenire sull’angolodi attacco della vena sui profi-li e di variare lo svergolamen-to delle vele. Sempre con rife-rimento al modello di [Fig. 6]esiste poi la possibilità di in-tervenire ulteriormente sullaforma delle vele mediante re-golazioni manuali della curva-tura dell’albero tramite il ten-sionamento del sartiame.La bilancia dinamometricautilizzata è dotata di sette ca-nali estensimetrici che, attra-verso un’opportuna matrice dicalibrazione, permettono dirilevare con grande accuratez-za le tre forze (verticale, lon-gitudinale e laterale) e i tremomenti attorno ai tre assiprincipali.È stato quindi sviluppato unsistema di acquisizione datiche permette di leggere i settesegnali provenienti dalla bi-lancia estensimetrica e calco-lare le forze ed i momenti me-diante una matrice di calibra-

zione. Il sistema permette divisualizzare in tempo realesullo schermo di un calcolato-re tali valori in modo tale dapoter ottimizzare le regolazio-ni delle vele mediante le rego-lazioni alle stesse impartite inremoto dall’operatore. Gli o-biettivi del processo di otti-mizzazione delle regolazionisaranno discussi nel successi-vo paragrafo in funzione deltipo di vele che vengono testa-te. Il sistema permette di ac-quisire anche i segnali di pro-cesso della galleria ed in parti-colare i segnali di pressionedinamica provenienti dai ma-nometri differenziali, nonchéle indicazioni sulla turbolenzadel flusso rilevate da anemo-metri a filo caldo. Una voltaindividuata la regolazione de-siderata si esegue un’acquisi-zione dei segnali per un datoperiodo di tempo ed i valorimedi delle grandezze di inte-resse vengono memorizzatesu file.

Esempi di risultati

Risultati tipici ottenuti seguen-do la procedura descritta sonoriportati, a titolo d’esempio,nella [Fig. 8]. Tali risultati siriferiscono ad una serie di testin diverse andature di bolina[Fig. 7].Nella [Fig. 8] si riporta l’insie-me dei valori di coefficiente dispinta longitudinale Cx in fun-zione del corrispondente valo-re di coefficiente di spintalaterale Cy ottenuto eseguendouna serie di prove a quattrodiversi angoli al vento appa-rente (indicati in legenda) edin corrispondenza di svariateregolazioni delle vele: inoltresono messe in evidenza le cur-ve che rappresentano gli invi-luppi dei punti ottenuti aparità di angolo al vento appa-rente. Si nota che l’andamentodi tali curve non e’ lineare epresenta un valore di massimoCx collocato nella zona deivalori di forza laterale più ele-vata. Il grafico si suddivide indue zone distinte: una primazona, collocata sui valoriminori di forza sbandante,presenta un andamento cre-scente di entrambe le compo-

influence further the sail sha-pe through manual adjust-ments of the mast bendingthrough the rigging traction.The dynamometric balanceused is provided with sevenstrain gauges which, througha proper calibration matrix,allow to detect very preciselythe three forces (upright, lon-gitudinal and lateral) and thethree momentum round thethree main axes.Afterwards, a database sys-tem was developed which al-lows to read the seven signalscoming from the strain gaugeand calculate the forces andmomentum via a calibrationmatrix.This system allows to visu-alise in real time on the moni-tor of a computer such valuesin order to optimise the sailsadjustments by the remotecontrol. The objectives of theadjustment optimisation pro-cess will be dealt with in thefollowing chapter as a func-tion of the type of sails thatare tested.Through this systemit is also possible to detect theprocess signals of the windtunnel and, particularly, thedynamic pressure signals com-ing from the differential pres-sure gauges as well as theflow turbulence data detectedvia the hot-wire anemometers.Once the desired adjustmenthas been identified, the acqui-sition of the signals is execut-ed for a given lapse of timeand the average values of themagnitudes searched for aresaved on a file.

Results

The typical results obtainedaccording to the proceduredescribed above are reportedas an example, in [Fig. 8]such results refer to a range oftests of various close-hauledsailing [Fig. 7].[Fig. 8] shows all the longitu-dinal thrust coefficient Cx val-ues as a function of the corre-sponding lateral thrust coeffi-cient Cy obtained carrying outa range of tests with four dif-ferent apparent wind direc-tions (shown in the legend)and corresponding to the nu-merous adjustments of thesails: furthermore, the curvesrepresenting the envelopes ofthe points obtained with thesame apparent wind directionare highlighted. Please notethat these curves flow is notlinear showing a maximum Cx

value located in the zone ofthe highest lateral force value.The graph is divided into twodifferent zones: the first one,set on the minor value of theheeling forces hows a risingtrend for both componentsaccording to the adjustmentschanges of the sails while thesecond zone, correspondingto the higher values of theabscissa shows some asymp-totic Cx values or even a grow-ing reduction of the propul-sion component. It is clearthat, as it was said above,these points are not useful tothe good management of theboat, since, with the samepropulsion force a growing

[Fig. 5] - Il modello sulla piat-taforma girevole / The model ofthe turning table

[Fig. 6] - Dispositivi per la regolazione delle vele / Sail adjustmentdevices

Via Mare – By SeaVia Mare – By Sea01/200401/2004 1 31 3

Ve laVe la Sa i l ingSa i l ing

nenti al variare delle regola-zioni delle vele mentre laseconda zona, corrispondenteai valori di ascissa maggiori, ècaratterizzata da una sorta diasintoticità dei valori di Cx senon addirittura ad una pro-gressiva riduzione della com-ponente propulsiva. È eviden-te che, come detto in prece-denza, questi punti non sonoutili per una buona condottadella barca in quanto a paritàdi forza propulsiva si generauna forza sbandante in au-mento e all’aumentare dellosbandamento è associato ingenerale un aumento dellaresistenza idrodinamica sulloscafo.È da notare inoltre che in cor-rispondenza di questi punti siriconosce il manifestarsi delfenomeno dello stallo dellevele caratterizzato della for-mazione di bolle di separazio-ne collocate in prossimità delbordo d’attacco delle velestesse. La prima regione, col-locata sui valori minori diforza sbandante è ottenuta apartire dal punto di massimaforza propulsiva e ciascunpunto rappresenta una ben de-terminata regolazione ottenu-ta scarrellando sottovento apassi successivi il trasto diranda riducendo di conse-guenza l’angolo di incidenzasulla vela e successivamentelascando, sempre a passi suc-cessivi, la scotta della randaovvero aumentandone lo sver-golamento. Se necessario suc-cessivamente si porta legger-mente il carrello della scottadel fiocco a poppavia per evi-tare il fenomeno del backwin-ding della randa. In questomodo si ha una progressivariduzione della forza sbandan-te accompagnata da una dimi-nuzione della forza di trazioneprima minima e poi semprepiù accentuata. Le operazionisuddette corrispondono alleregolazioni effettivamente ope-rate a bordo dall’equipaggioal crescere dell’intensità delvento nel momento in cui laforza sbandante non riesce adessere controbilanciata effica-cemente dal raddrizzamentodello scafo.Attraverso la tangente alla

curva condotta dall’originedegli assi e’ possibile identifi-care il punto di massima effi-cienza, valutata come rappor-to tra forza spingente e forzasbandante (Cx/Cy), che si col-loca sui valori di forza sban-dante intermedi [Fig. 8] e talecondizione viene normalmen-te realizzata quando ci si trovaa navigare con venti di mediaintensità.Le prove permettono anche diidentificare la posizione delcentro di spinta aerodinamico(ovvero il punto in cui si puòpensare applicato il risultantedella forza aerodinamica): inparticolare essa viene descrit-ta da due grafici che mostranorispettivamente la posizioneverticale e quella longitudina-le ottenuta al variare dell’as-setto della barca e delle rego-lazioni impartite alle vele. Neitest di vele progettate perandature portanti la regolazio-ne delle vele si riduce allaricerca della massima forzapropulsiva, in quanto a questeandature gli effetti della forzaaerodinamica sviluppata dallavelatura sulla spinta lateralesono assai ridotti.Una volta misurate le forzesecondo gli assi della bilanciadinamometrica mediante laprocedura descritta, esse pos-sono essere riportate nel siste-ma di riferimento solidale conl’imbarcazione ovvero in unsistema di riferimento ruotatodell’angolo di sbandamento

heeling force is brought aboutand the increase in heeling isregarded in general as relatedto the increase in the hydrody-namic resistance of the hull.[Fig. 8] modification of thecoefficient of thrust (Cx) as afunction of the coefficient ofheeling (Cy) with various winddirectionsIt should be also remarkedthat in the region of thesepoints the appearance of thesails stall can be seen, char-acterised by the formation ofthe separation air line, locat-ed next to the attachment ed-ges of the sails themselves.The first area, set at minorheeling force values is ob-tained starting from a point ofmaximum propulsion forceand each point stands for an

established adjustment, car-ried out by manoeuvring lee-ward step by step, the spankersupport and decreasing, as amatter of consequence, theangle of incidence on the sailand afterwards, still step bystep surging the jib slightly toallow the sail to fit avoidingbackwinding.Thus, there is a progressivereduction of the heeling forcefollowed by a decrease in thetraction forces, which is mini-mal at first, then greater andgreater. The above mentionedoperations correspond to theadjustments actually made onboard by the crew as the force

of the wind increases when theheeling force cannot be coun-terbalanced effectively by thehull straightening operations. Across the curve tangentdrawn from the origin of theaxes it is possible to identifythe point of maximum efficien-cy, and evaluated as thrust/heeling forces ratio (Cx/Cy)which is set on the intermedi-ate heeling force values [Fig.8] and such a condition is ex-perienced usually when sail-ing at average force of thewind. The tests also allow to identi-fy the position of the centre ofthe aerodynamic thrust (thepoint where the resulting aer-odynamic force may be ap-plied): particularly it is des-cribed by the two graphics

showing respectively the up-right position and the longitu-dinal one, obtained by chang-ing the boat attitude and theadjustments of the sails. Test-ing the sails designed for highspeed sailing, the adjustmentof the sails finally leads to thesearch for the highest propul-sion force, since these speedrates, as a function of the aer-odynamic effects provided bythe sailage, are strongly redu-ced.Once the forces have beenmeasured according to the a-xes of the dynamometric bal-ance, through the above men-tioned procedure, they can be

[Fig. 7] - Prova in galleria delvento in andatura di bolina / Testin the wind tunnel on close-hau-led sailing conditions

[Fig. 8] - Variazione del coefficiente di spinta (Cx) in funzione delcoefficiente di sbandamento (Cy) a diversi angoli al vento / Mo-dification of the coefficient of thrust (Cx) as a function of the coeffi-cient of heeling (Cy) with various wind directions

Via Mare – By SeaVia Mare – By Sea 01/200401/20041 41 4

Ve laVe la Sa i l ingSa i l ing

della barca rispetto a quellodella bilancia.Tranne casi molto particolari siverifica che il piano velico èsensibile solamente alla com-ponente del flusso che giace nelpiano perpendicolare all’albero(in altri termini non vengonosviluppate forze nella direzioneparallela a quella dell’albero).Questo permette di ridefinire ilcampo di forze aerodinamichefacendo riferimento alle com-ponenti delle varie grandezze

in tale piano. In particolare[Fig. 9] è possibile definire unavelocità del vento apparenteV(alfa) ed un angolo al ventoapparente (beta).A questo punto è possibilescomporre la forza aerodina-mica totale in una componen-te di forza di resistenza aero-dinamica (Drag) e di portanzaaerodinamica (Lift) diretterispettivamente come la velo-cità del vento apparente (cal-colata nel piano perpendicola-re all’albero) e perpendicolaread essa [Fig. 9].È possibile quindi definire gliandamenti dei rispettivi coef-ficienti di Drag e di Lift infunzione dell’angolo al ventoapparente (che rappresenta inultima analisi l’angolo di inci-denza in maniera del tuttoanaloga al caso dei profili ala-ri) A titolo d’esempio la [Fig.10] riporta l’andamento delcoefficiente di Lift e di Dragcalcolati a partire da alcunedelle misure effettuate. Nella[Fig. 10] è rappresentata lalinea che passa per i punti cor-rispondenti alla regolazioneche fornisce la massima spin-ta propulsiva.

Anche nel caso delle vele perandature portanti, i dati che siottengono dalle prove in gal-leria del vento permettono diindividuare le caratteristicheaerodinamiche delle diversevele in termini di coefficientidi forze motrici, sbandanti e diposizione del centro di spinta,che sono da relazionarsi diret-tamente alle performance del-l’imbarcazione, e in termini dicoefficienti di Lift e di Drag,che permettono di individuare

l’efficienza aerodinamica del-le stesse vele.Occorre inoltre ricordare chenel caso di vele per andatureportanti esiste una grande va-rietà di tipologie diverse infunzione del campo di utilizzodelle stesse (in termini di an-datura e di intensità del vento)quali reaching genoa, genna-ker (che normalmente vengo-no murati su un bompresso) espinnaker simmetrici e asim-metrici (che vengono utilizza-ti con il tangone).A tale proposito i risultati deitest in galleria del vento, uni-tamente all’ausilio di un pro-gramma di previsione delleprestazioni (VPP) permettonodi individuare e quantificare icampi di utilizzo ottimali diciascuna tipologia di vela.A titolo d’esempio i graficiseguenti mostrano gli anda-menti dei coefficienti di por-tanza [Fig. 11] e di resistenza[Fig. 12] in funzione dell’an-golo al vento apparente otte-nuti provando le vele mostratein [Fig. 13-14].In particolare con il simboloS1BB si intende lo spinnakersimmetrico di [Fig. 13] men-

transferred to the referencesystem integral to the boat,i.e. a reverse reference systemof the boat heeling angle overthe balance one.Except for particular cases,the sail plan shows to be sen-sitive only to the flow compo-nent laying on the perpendic-ular plane to the mast (i.e. noforces are generated in thedirection parallel to the mast).This allows setting again thefield of the aerodynamic for-ces, taking into account thecomponents of the various ma-gnitudes on this plane. Fur-thermore, [Fig. 9] it is possibleto set an apparentwind speedrate V (α) and an apparentwind direction (β).At this stage, it is also possibleto break down the total aero-dynamic force into a compo-nent of aerodynamic resis-tance (drag) and of the aero-dynamic lift (lift) lead respec-tively as the apparent windspeed rate (calculated fromthe perpendicular plane to themast) and perpendicular toitself [Fig. 9].It is thus possible to define thetrends of the individual coeffi-cients of drag and lift as afunction of the apparent winddirection (standing for theangle of incidence, like thewing profile cases). For e-xample, [Fig. 10] shows thetrend of the coefficient of liftand drag, which were calcu-lated starting from some of themeasurement carried out.[Fig. 10] shows the lines run-ning through the points corre-sponding to the adjustment

providing the highest propul-sion thrust. Also in the case ofthe sails for high speed rates,the data obtained from thetests in the wind tunnel allowsto point out the aerodynamiccharacteristics of the differentsails as for the coefficients ofthe water power, of heelingand of the position of the cen-tre of thrust, which must berelated to the performances ofthe boat as far as lift and dragare concerned so as to identi-fy the aerodynamic efficiencyof the sails themselves.One should remember that inthe case of the sails for highspeed rates there are manytypes as a function of theirapplication field (as far as thespeed and the intensity of thewind), such as reaching ge-noa, gennaker (which normal-ly are tacked in a bowsprit)and symmetrical and asym-metrical spinnakers (used withthe swinging boom). On thismatter, the results of the testsin the wind tunnel with the aidof a prediction program oftheperformances (VPP) allow toidentify and quantify the opti-mal application fields of eachtype of sail.For example, the followinggraphs show the trend of thecoefficients of lift [Fig. 11] anddrag [Fig. 12] as a function ofthe apparent wind directionobtained testing the sailsshowed in [Fig. 13] and [Fig.14]. Particularly, the S1BBsymbol represents the symmet-rical spinnaker of [Fig. 13]while by the A3D symbol theasymmetric one of [Fig. 14].

[Fig. 9] - Il triangolo del vento e la definizione di portanza (lift) eresistenza (drag) / The wind triangle and the definition of lift anddrag

[Fig. 10] - I coefficienti aerodinamici ricavati a diversi angoli al ventoThe aerodynamic coefficients obtained from various wind directions

Via Mare – By SeaVia Mare – By Sea01/200401/2004 1 51 5

Ve laVe la Sa i l ingSa i l ing

tre con il simbolo A3D si in-tende l’asimmetrico di [Fig.14].

I problemi di similitu-dine

Nel seguito verrà fornito unbrevissimo cenno alle proble-matiche legate alla scala delmodello nonché a quelle lega-

te ad una corretta riproduzio-ne delle caratteristiche dellavena fluida incidente.Per quanto riguarda la scaladel modello è evidente l’im-possibilità di raggiungere ilnumero di Reynolds al realeper motivi di resistenza strut-turale dei materiali con cui sirealizzano le vele e dei com-ponenti che equipaggiano ilmodello quali verricelli, boz-zelli e così via. Nel caso dellevele da bolina, esse operano incondizioni tali da produrre lamassima portanza e quindisensibili al numero di Rey-

nolds. Tuttavia in tal caso sipuò ritenere che la presenza diturbolenza della vena e l’ele-vata rugosità superficiale deimateriali con cui sono realiz-zati i modelli delle vele do-vrebbero mitigare il proble-ma. Nel caso dei test su veleda bolina conviene utilizzarela massima velocità possibileil cui limite è spesso legato

alla possibilità di movimenta-re le scotte mediante i verri-celli radiocomandati (la galle-ria nella camera a bassa velo-cità consente di raggiungere i15[m/s]).Nel caso delle vele per anda-ture portanti, per mantenere lostesso rapporto tra componen-te verticale della forza ae-rodinamica e peso della velasi eseguono i test a velocitàprossime a quelle di utilizzodelle vele al reale.Per quanto riguarda le caratte-ristiche della vena fluida, è giàstato citato in precedenza il

Similarity Problems

Hereafter a few hints will begiven of the problems relatedto the model scales as well asthose linked to a proper repro-duction of the characteristicsof the incident jet.As far as the model scale isconcerned, it is obvious that itis not possible to reach the

real Reynolds number becau-se of the structural resistanceof the materials used to manu-facture the sails and the modelequipment such as windlass-es, blocks and so on. In thecase of sails used for close-hauling, they operate on suchconditions that they producethe highest lift and so they aresensitive to the Reynolds num-ber.However in this case, it can besupposed that the jet turbu-lence and the high surfaceroughness of materials usedfor the sail model manufac-ture could partially solve theproblem.In the case of close-hauledsails tests, it is better to usethe highest speed rate possi-ble whose threshold is oftenrelated to the chance to han-dle the sheet by the remote-controlled windlasses (thetunnel in the low speed ratechamber allows to reach 15(m/s).In the case of bearing sails, tokeep the same ratio betweenthe aerodynamic upright com-ponent and the weight, thetests are made at speed ratesapproaching those of sails inreal conditions.

As for the characteristics ofthe jet, it has already beensaid above that it is the airspeed which actually influ-ences the aerodynamic forces(in this field is called apparentwind speed), which results inthe combination of the truewind, normally increasingproportionally to the distancefrom the sea surface and the

sailing boat motion which inthe steady case is defined andconstant.The vectorial combination ofthese two speed rates resultsin the variability of the appar-ent wind speed to the height,both in case of a module anddirection [Fig. 15].One should also think thatsuch changes are function ofthe sailing and of the speedreached by the boat in com-parison with the true one ofthe incident wind. In general,one could say that the chan-ges in the apparent wind withthe height are more sensitivein case of surging, with refer-ence especially to the direc-tion changes.About the turbulence, it isknown that it involves twoessential facts from the aero-dynamic point of view. First ofall, it favours the laminarboundary transition layeroccurrences, so it is essentialto shape it properly so as toreproduce the behaviour ofthe boundary layer in case ofregular flows.Furthermore, it has importanteffects on the wake develop-ment and this becomes moreand more important with sails

[Fig. 11] - Andamento del coefficiente di lift in funzione dell’angolo alvento apparenteo Cd vs AWA/ Trend of the coefficient of lift as a func-tion of the apparent wind direction - Cd vs AWA

[Fig. 12] - Andamento del coefficiente di drag in funzione dell’ango-lo al vento apparente / Trend of drag coefficient as a function of theapparent wind direction

[Fig. 13] - Spinnaker simmetricoSymmetrical spinnaker

[Fig. 14] - Spinnaker asimmetri-co / Asymmetrical spinnaker

Via Mare – By SeaVia Mare – By Sea 01/200401/20041 61 6

Ve laVe la Sa i l ingSa i l ing

fatto che ciò che conta aglieffetti delle forze aerodinami-che è la velocità relativa (chein campo velico viene chiama-ta velocità del vento apparente)data dalla combinazione delvento naturale, che normal-mente aumenta con l’altezzadalla superficie del mare, ed ilmoto dell’imbarcazione chenell’ipotesi di considerare ilcaso stazionario è definito ecostante nel tempo. La combi-nazione vettoriale di questedue velocità fa si che la velo-cità del vento apparente vistadall’imbarcazione sia variabilecon l’altezza sia in modulo chein direzione [Fig. 15]. Occorreinoltre considerare che talivariazioni sono funzioni oltreche del tipo di andatura anchedella velocità raggiunta dal-l’imbarcazione rispetto a quel-la assoluta del vento incidente.In generale si può dire che levariazioni del vento apparentecon la quota sono maggior-mente sensibili con le andatureal lasco specie per quantoriguarda le variazioni di dire-zione. Per poter riprodurre levariazioni in modulo dellavelocità della vena, è stata a-dottata la tecnica di utilizzarele due schiere di ventilatoridella galleria poste a diversaaltezza con regimi di velocitàdiversi [Fig. 4]: variando i rap-porti di velocità dei ventilatorisi ottengono diversi profili divelocità e ciò permette di effet-tuare le prove sui modelli inscala con una condizione digradiente di velocità il piùsimile possibile alle condizioniche la vela sperimenterebbe alreale. Per quanto riguarda levariazioni angolari con laquota (detto anche “twist dellavena”) è allo studio un disposi-tivo che permetta di ottenerel’opportuno svergolamentodella direzione della velocitàdella vena con la quota dalpelo libero dell’acqua (6).Considerando ora anche la tur-bolenza, è noto che essa ha dueimplicazioni fondamentali dalpunto di vista aerodinamico.Innanzitutto essa favorisce ifenomeni di transizione dellostrato limite laminare ed èquindi importante modellarlacorrettamente in modo da

riprodurre il comportamentodello strato limite nei casi diflussi regolari.Inoltre essa ha importanti con-seguenze sullo sviluppo dellascia e ciò diviene molto im-portante nel caso delle veleper andature portanti chelavorano in un regime di forteseparazione. Per quanto riguar-da il caso delle imbarcazioni avela, possiamo dire che consi-derando le altezze tipiche diun albero di imbarcazione avela normalmente il livello diturbolenza che caratterizza ilflusso nella zona delle vele siattesta attorno a valori del 8-10%. Nella galleria del vento,in funzione del tipo di profilodi velocità ottenuto si realiz-zano valori dell’indice di tur-bolenza compresi tra il 2% el’8%. Occorre però dire cheallo stato dell’arte non esisto-no né misure di turbolenzaeffettuate da bordo né tanto-meno indicazioni dell’effettodella turbolenza sulle forzeprodotte dalle vele e non esi-stono quindi valori di riferi-mento per la calibrazione del-le caratteristiche della vena.

Bibliografia / References

[1] Fossati F., Diana G. (2000):“Principi di funzionamento diun’imbarcazione a vela”, Edi-zioni Spiegel.[2] Hazen G., Baker C.J.(1980): “ Amodel of sail aero-dynamics for diverse rig ty-pes”, Snsme New England,Sailing Yacht Symposium,New London, Conn.[3] Marchaj C.A. (1987): “Ae-ro-idrodinamica della vela” -Mursia.[4] Pope Alan Baker C.J.(1999): “ Low-speed tunnel test-ing” J. Wiley & Sons.[5] Poor C L, Sironi, N.(1990): “The international Mea-surament system : A descrip-tion of a new international ra-ting system” - H.I.S.W.A. Am-sterdam.[6] Fossati F. (2002): “Carat-terizzazione aerodinamica dipiani velici di imbarcazionimediante prove in galleria delvento” – Rapporto Interno –Dipartimento di MeccanicaPolitecnico di Milano.

for high-speed sailing whichwork on critical separationconditions. Concerning the sail-ing boats, if the typical heightsof their mast are taken intoaccount, usually the typical tur-bulence level of the sails is set atvalues of 8-10%. In the windtunnel the turbulence indexranges between 2 and 8% andis obtained as a function of thetype of speed profile given. Ne-

vertheless it should be said thatthe current state of the art doesprovide neither the turbulencemeasurements on board, nor theremarks on the turbulence effecton the forces generated by thesails; therefore no reference val-ues are available to gauge thecharacteristics of the jet.

For further information pleasecontact the editorial office.

[Fig. 15] - Il twist della vena / The jet twist