Unsteady lift and drag production of a sailing yacht keel in waves

Thumbnail Image

Files

master_Karsikas_Knuutti_2025.pdf (15.17 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-09-29

Department

Major/Subject

Marine Technology

Mcode

Degree programme

Master's programme in Mechanical Engineering

Language

en

Pages

65

Series

Abstract

For millenia the performance of a sailing vessel could only be predicted by the intuition and experience of a naval architect before her launch and sea trials. In the early twentieth century first methods for estimating the hydrodynamic performance of a design were developed utilizing tank testing later followed by the development of wind tunnel testing for sails as well as computational methods to solve the equations of motion for sailing yachts through simple models of the design. The underlying idea in the programs has been the assumption that sailing yacht performance may be sufficiently predicted by an averaged steady state of the dynamic system. While this may hold true in some inshore conditions, the efforts to understand the unsteady physics of a sailing yacht in a realistic seaway have been benefiting from the developments of computational fluid dynamic methods in the recent decades. This thesis studies the unsteady lift and drag production of a sailing yacht keel as she moves in waves and aims to recognize the dynamic effects while assessing the importance of the phenomena to the performance prediction of sailing yachts. The investigation is carried out by executing a case study of a sailing yacht sailing in waves utilizing latest CFD methods. The hydrodynamics are simulated with RANSE CFD with realistic motions obtained by giving the model 5 degrees of freedom and applying a sail force. The applied sail force consists of a constant component and basic models for unsteady effects in roll. Unsteady effects on the lift and drag production were found out to be significant while detrimental consequences for the sailing yacht performance were considered minimal. The simulation of the dynamic system was discovered to be resource intensive requiring both significant time to set up and computational power to solve. While the presented method may not be feasible for systematic studies of the sailing yacht keel and other appendages, their unsteady force production characteristics pose a fascinating subject for future research.

Vuosituhansien ajan ainoa tapa arvioida purjealuksen suorituskykyä ennen vesillelaskua ja ensipurjehdusta oli suunnittelijan intuitio ja kokemus. 1900-luvun alussa kehitettiin ensimmäiset tankkitestejä hyödyntävät hydrodynaamisen suorituskyvyn arvioimiseen tarkoitetut metodit, joita seurasivat vuosisadan loppupuolella kehitetyt purjeiden tuulitunnelikokeet sekä purjeveneen yksinkertaistettujen liikeyhtälöiden ratkaisuun kykenevät ohjelmat. Lähtökohta kyseisissä ohjelmissa on ollut oletus, jonka mukaan purjeveneen suorituskykyä voidaan riittävän tarkasti arvioida ratkaisemalla dynaamisen järjestelmän keskimääräinen tasapainotila. Vaikka kyseinen olettama voikin pitää paikkansa joissain rannikon ja sisävesien olosuhteissa, on viime vuosikymmenten aikana pyritty kasvattamaan ymmärrystä aallokossa purjehtivan purjealuksen epävakaasta ja dynaamisesta fysiikasta apuna laskennallisen virtausmekaniikan kehitys ja sovellutukset. Tämä opinnäytetyö tutkii purjealuksen kölin epävakaata nosteen ja vastuksen tuottoa sen liikkuessa aallokossa ja pyrkii arvioimaan dynaamisten ilmiöiden merkitystä purjealusten suorituskyvyn arvioinnin kannalta. Ilmiöitä tutkitaan simuloimalla purjeveneen purjehtimista aallokossa viimeisimpiä laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) metodeja hyödyntämällä. Tapaustutkimuksen hydrodynamiikka simuloidaan RANSE CFD:llä antamalla alukselle viisi vapausastetta ja kohdistamalla siihen purjevoima. Käytetty purjevoima koostuu vakiokomponentista sekä yksinkertaisista dynaamisista malleista ylenmääräisen rullauksen välttämiseksi. Nosteen ja vastuksen epävakaiden ilmiöiden todettiin olevan voimakkaita, kun taas purjealuksen suorituskyvylle haitallisten vaikutusten todettiin olevan hyvin rajallisia. Purjealuksen dynaaminen simulointi todettiin työlääksi valmistella ja laskennallisesti raskaaksi. Vaikka tässä työssä esitetty menetelmä ei liene soveltuva purjealusten kölien, peräsinten ja siipien systemaattisiin tutkimuksiin, on niiden epävakaa voimantuotto kiehtova aihe tutkittavaksi tulevaisuudessa.

Description

Supervisor

Mikkola, Tommi

Thesis advisor

Leslie-Miller, Mark

Keywords

sailing yacht, dynamic, waves, CFD, unsteady, lift, keel

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510208336

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG