Michael Richelsen | The Science of Sails

intheflow.jpg
When North Sails released their video on design, starring Michael Richelsen above, I thought it was a bit over the top. But then again, it’s hard to explain how much time, effort and money that goes in to all those tools.

Being both an avid sailor and an engineer (M.Sc. Computer Science) I want to dig deeper to really understand what’s going on. When North introduced 3Di, I went to Nevada to try to explain why this could be the biggest thing in sailmaking since 3DL. Al major websites republished the article and it even ended up on Norths owns sites as “3Di Explained”.

With the big projects like America’s Cup, Volvo Ocean Race and MedCup, sailmaking have gone from being an art to much more of a science. And if there’s one person who really understands this development it’s Michael Richelsen, the man behind much of the North Sails Design Suite (NDS).

Michael studied mechanical engineering at the Technical University of Denmark, and wrote his master thesis on sails and aerodynamics, before joining North Sails in 1979. He’s one of the leading experts on CFD (Computational Fluid Dynamics) and he’s been involved in America’s Cup projects since 1983 and he managed the performance prediction group for Alinghi in the last Cup:

What makes this boat so different to, say, a keelboat is that windage is much, much bigger. Windage goes up by speed squared, so when you think that this boat is capable of travelling three or four times faster than a Version 5 boat, you can see the importance of windage. With the keelboats, wave drag was the biggest element of drag, where at a certain speed the boat ran into this wall of resistance. There is no such wall with this kind of boat; that aspect is not there. Aerodynamic drag is a much greater factor, and you could say that what’s going on above the water is much more important than what’s going on below the water this time.

cfdsaildesign09flow.jpg
North Design Suite. There’s many pieces to a complex puzzle. We all know how everything interact in the real world, and it doesn’t become any easier trying to do it in software.

What’s happening right now?
Following Alinghi loosing the AC33 I returned to my full time job at North Sails. Having been on reduced time for quite a while, the North designers had accumulated a fairly long wish list of desired upgrades to the North design suite of software. The development of the software falls in my department – fortunately we now have a couple of great guys helping out on this. High on the list was accurate dynamic modeling, i.e. upgrade the current static coupling between Flow and MemBrain to account for external variations in time due to wind and/or sea state. Collectively we decided to attack this first, but part way through the development the wing for the next AC34 entered the scene.

We decided to shelf the dynamic work for the time being and instead focus on adding a wing model to Flow and MemBrain. Early on in this phase, North Technology Group, was contracted by ACRM to design the AC34 wing offered in their Shared Design Package.

So the wing development combined with joining our small ACRM/SDP team has kept me busy!

What’s you sailing background?
I started sailing with my dad and then joined the junior program in a local sailing club. Grew up in the classic “juniorbåd” followed by Yngling, then started sailing Trapeze dinghy and 470. Also sailed in various Danish and Scandinavian one design keel boats, after I finished school and began my studies.

How did you end up at North Sails and in CFD?
I studied Solid Mechanics at the Technical University in Denmark with an emphasis on applied mathematics, including Fluid Mechanics. For my M.Sc. I chose to create an aero-elastic model for a sail. As I did not have access to aerodynamic data, I wrote to North Sails San Diego (back then the Mecca of North) to inquire whether they would be interested in collaborating for my thesis work. Lowell North invited me to come to San Diego and then go down to NZ to work with Tom Schnackenburg for half a year, who became a kind of mentor for me. That was the beginning of it. 

I went back to Denmark to finish my M.Sc. Following that in order to continue my work with North, the company offered to sponsor my Ph.D. on further aero-elastic development. Our structural MemBrain model originates in this work.


cfdsaildesign02.jpg
Flow applies wind pressure to 3-dimensional sail mold and provides sail forces. Here’s a predicted pressure distribution and sail wake.

How were you involved in the design suite?
When I first came to North, daily design work was based on 2D patterns. Schnack was pioneering a 3D ”TinSail” program, which ran on a main frame computer (those were the days) and not easy to use. My task then was to spear head the development of a PC based 3D CAD suite for designing and building sails throughout the whole company. This involved 3D shaping and derived panel layouts and broadseams. Later on 3DL and 3Di was added to the company inventory and brought into the scope of the design suite – still based on the same software concept. As this CAD suite matured, and PC’s became more powerful, we moved on to the analysis package consisting of Flow and MemBrain plus the VPP.

How close to reality do you get with those tools?
In my recent AC campaigns with Alinghi, all aero load cases used for the structural design work on the boats have been based on Flow / MemBrain predictions. Over time we have come to trust these predictions to such a degree that these tools are used extensively for custom projects. Secondly, all North 3DL and 3Di layouts are based on analysis using these tools. 

cfdsaildesign07.jpg
MemBrain balances wind pressure, sail shape and rig forces. Comparison of sail in MemBrain and on-the-water photo for a TP52 jib.

As I’m going to University of Auckland next week to visit the Twisted Flow Wind Tunnel, could you say anything on the relationship between practical experiments and CFD? In theory? In practice?
I have been involved in wind tunnel tests at various occasions. I find the tunnel a very efficient setup for investigating a broad range of sails – and at the time highly visual. Therefore, it will be hard not to learn something from a tunnel session. The difficulties in a tunnel lies in the problematic scaling to full size plus setting the proper twisted wind profile. You need to be extremely meticulous in your testing procedure to achieve consistent results – otherwise you will pull your hair out later trying to make sense of the data. In my opinion neither tunnel nor CFD can replace one and another – both are great tools in their own sense, each with their strength and weaknesses.

Can you describe the North VPP?
The North VPP is modular in its program structure. This means that the predicted performance is based on a given set of building blocks, each representing a specific component of the combined boat, rig and sail model. For instance one block can contain the hydro force and moment components measured in a towing tank. Alternatively the same hydro block can consist of multiple CFD blocks, each representing a specific hydro component, such as canoe body, appendage(s), etc… The greater the number of blocks the greater the level of detail in the resulting output. Same goes for the aerodynamic components – windage for instance can be accounted for by a single, overall block or broken into individual components.

cfdsaildesign06.jpg
Blue dots in charts represent measured on-the-water performance data from TP52 Platoon in all races she won in 2008 MedCup. The black dots are North Sails VPP predicted performance. Also, check out Chris Wilsons article “North Sails VPP Action”>.

Furthermore, the North VPP can find a solution for various degrees of freedom from 1 to 6. For normal displacement keel boats we mostly run with 4 DOF with assumed equilibrium in Heave and Pitch – corresponding to testing in the tank with free sink and trim. For lighter displacement boats, in particular multihulls, we use the full 6 DOF, as these boats are more sensitive in sink and trim to variation and position of ballast, such as crew.

For the ACRM wing, however, we also ran the VPP in 1 DOF – only enforced Roll moment balance – in order to optimize wing aerodynamics without the plat form underneath.

In other words you can tailor the VPP to match your needs depending on the project at hand.

cfdsaildesign03.jpg
Das Boot. A hull being run through a series of heel angles to produce a matrix of hull drag to be used in the VPP.

What’s the biggest challenge in the next few years?
We have begun to move beyond steady state to dynamic analysis. 

Secondly, we have started to use RANS codes to a larger extent as a more accurate CFD tool than Flow – in particular for downwind sail design – in what we call the Virtual Wind Tunnel.

Now you’re working on the wings for AC34. How different is a wing compared to a sail from a CFD perspective?
Same Flow / MemBrain model as above now incorporates an aero-elastic model for a multi-element wing plus headsails. This way to us the wing is simply a rigid (and thick) type of main sail with additional trim controls. The ACRM wing design by North Technology Group is designed with this package with the addition of Abacus for structural detail work and OpenFoam for high lift CFD.

What’s the biggest challenges with a wing?
Keep the cat from flipping over, which won’t look pretty on an AC72.

Wings have already been developed over quite some years on for instance C-class cats.  AC wing designs start from here, and they will go beyond the current norm, though much is dictated by the AC race course format.  I expect we will see smarter control systems than on C-class wings – also to handle the larger power of the AC72 wings – and sleaker aerodynamics.  Windage is huge on boats this fast.

cfdsaildesign08.jpg
Virtual Wind Tunnel models air flow on upwind and downwind sails. This is a run of a Ker 39 medium jib and main showing detailed analysis of the hull and sailplan interaction

Do you get to race anything yourself?
Not these days, as last summer I moved myself and family to Bend in Oregon, USA. Instead we have just started on a full season of skiing.

Any career advise if you’re at the university and are excited about the science behind sails and wings?
If you study at a university and are excited about the science behing sails and wings, engineering would be the way to go. Here in my experience there are two distinct paths to follow, depending on whether you aim to be a designer or developer. As a designer you will be using the tools with your scientific background to design the best possible product. As a developer you play more of a supporting role in developing and maintaining the designer’s tool set. You are not designing the physical product per se, for instance a sail, but rather a more abstract product. Both positions can be equally satisfying – so base your choice on your interest.

Due to the work load I cannot imagine someone covering both positions, and consequently I do not really design myself. But I do enjoy a close collaboration with the various designers within the company, which I find highly stimulating. In terms of what course work to choose at a university, based on my personal experience the developer path will require an emphasis on applied mathematics in areas of numerical analysis and modeling, both structural and aero/hydro-dynamics. From my perspective our designers are more broadly based engineers – or with a naval architect background. By mean of their jobs they do get to go sailing more often than I do ….

All to say that you should pursue your personal interest. And make sure you truly enjoy sailing (and racing), because in our business you inevitably end up tinkering with – and talking about – boats, rigs and sails for the larger part of your life.

24 Comments

  1. Jag läste i NAFEMS tidning Benchmark om beräkningsjobben och studierna som gjorts för ett tag sedan.
    Finns en del andra jobb som också pågår inom området. Kolla på NAFEMS hemsida.
    Slutsatsen i artikeln var ganska deprimerande för en teknik och beräkningsintresserad.
    Så fort seglen skotas om ändras förutsättningarna helt för strömningen och kraftspelet med det. Det går alltså inte att optimera med CFD och FEM för att få ett resultat som har någon betydelse för seglaren. Skotas och trimmas seglet inte till den optimala formen så gäller inte belastningarna som man räknat fram.
    Hur som hellst så är det också viktig kunskap.
    Kul att North lägger krut på det och skickligt att göra marknadsföring av det.

    • Gustaf Dyrssen Jan 3, 2012 Reply

      Jag läser det du skriver som en sågning av det senaste inom segel teknologi. Menar du att det inte fungerar på vanliga båtar eller missförstår jag ditt budskap ???

      • Nä, det är inte en sågning utan det är slutsatserna i den vetenskapliga artikeln i Benchmark.
        Kolla på NAFEMS hemsida där fins flera intressanta artiklar och presentationer om man är flödes- och hållfasthets intresserad. Bland annat finns en del intressant om hur man har löst problemet med att hantera problemet med att membran inte kan ta trycklaster. Rynkor i seglen är problem som är svårt teoretiskt att hantera.
        Det finns också artiklar om strömning kring kroppar.

        • Gustaf Dyrssen Jan 3, 2012 Reply

          Om nu inte Norths modeller fungerar varför tror du att man använder det till AC, VO70, TP52 och massor av andra high end kappseglings båtar där man plöjer ner massor av pengar i jakten på det perfekta resultatet ????
          Jag kan också skriva artiklar för att belysa hur dåligt utveckling är (om den nu inte skulle passa mig) men jag tror att teknisk utveckling går framåt och ju stabilare membranen blir desto närmare det optimala formen ligger man även om man bara skotar nästan perfekt eller har tagit lite för lite eller mycket i fallet.
          DVS Din sweet spot blir inte bara bredare utan även lättare för oss amatörer att uppnå.
          Det ser man också när det kommer nya segel att dom blir bara lättare och lättare att trimma och passar båten otroligt bra med trim punkterna sjukt nära det programmen förutspådde.

          • Öresund Regatta, AN Jan 3, 2012

            Okej. Tänk så här då. Du optimerar seglet för 6 m/s kryss men seglar halvvind med det i 10m/s. Då har formen ändrats så mycket att du får en annan belastning. Det är inte optimalt längre. Så enkel kan man förklara slutsatsen.
            För övrigt tror jag att det var just Michael Richelsen som var inblandad i arbetet med att kombinera flödesberäkningar och hållfasthetsberäkningar som artikeln handlade om.
            Du missförstår mig om du tror att jag inte är imponerad av det som görs. Jag tycker det är häftigt. Däremot så är det nog så att det optimala seglet också kräver samma optimala förhållanden som det optimerades för.

          • Author
            Peter Gustafsson Jan 3, 2012

            Ja, för att trimmers och navigatörer på VO70 har nog inte koll på att de skall släppa på skoten ibland :-)

            Så klart är de förhållanden/vinklar man skall segla i input i ett VPP eller vindtunnelkörning. Att designa ett segel för ett enda förhållande är inte svårt. Men att designa en optimal garderob till en VO70 (eller 35-fotare) kan man inte göra i huvudet.

          • Gustaf Dyrssen Jan 4, 2012

            Det du skriver nu skiljer sig ( i alla fall för mig men jag missuppfattade tydligen det du skrev) ganska markant ifrån ditt första inlägg.

            Men Ja, Jag kan förstå att en fock inte är optimal som spinnacker.

          • Öresund Regatta, AN Jan 4, 2012

            Att iterera mellan CFD- och FEM-beräkningar har inget med att optimera en segelgarderob att göra. Det är verktyg och metod för att beräkna och studera det enskilda seglets belastningar och form.

          • Author
            Peter Gustafsson Jan 4, 2012

            Att optimera en segelgararderob handlar väl just om att hitta rätt kombination av ett antal enskilda segel för de förhållanden man tror skall gälla på en bana. Oavsett om det är W/L eller VOR.

            Många VPP innehåller ju ett oändligt antal segel och revpunkter och förutsätter att man har optimala segel för alla förhållanden så länge man håller sig under maxmåtten. Men de flesta begränsas ju antingen av budget eller regler, och då gäller det att välja rätt.

            Det vanligaste sättet är att segla en båt i många år för att komma fram till vilken kombination av X försegel och Y spinnakers som är rätt. Men med en helt ny design, ny regel, ny bana och begränsad tid så är dessa verktyg i kombination med vindtunnel helt ovärderliga.

          • Gustaf Dyrssen Jan 4, 2012

            Ledsen men jag förstår inte vad du vill komma till för slutsatts. Det du skriver får det att låta som det skall finnas ett bättre alternativ än det som visas i North videon. För du säger ja detta är coolt men det spelar igen rolll för mig som seglare……….. Jag förstår inte vad du pratar om så vänligen berätta vad du tycker är ett bättre alternativ.

          • Pelle Lindell Jan 4, 2012

            Vad man också måste tänka på är att hela den metodik (speciellt vindtunnel-tester och CFD) som visas i North-videon av ekonomiska skäl (det säger sig själv att man inte kan lägga hundratals arbetstimmar på design av varje segel som säljs för några tiotusentals kronor) bara kan användas i rena GP-projekt och möjligen i utveckling av segel till de största OD-klasserna. Vi vanliga kunder får hålla tillgodo med de enklare/billigare delarna av designmetodiken och att ta del av de generella lärdomar som kommer ut från “leading edge-projekten” vilket inte är det sämsta. North-sails har helt klart gjort stora bidrag i att ta segelmakeri från hantverk till ingenjörskonst.

          • Gustaf Dyrssen Jan 4, 2012

            Pelle, Jag är med på det.
            och det är just det som ger jämnhet till mig som kund. Jag är säker på att även North kan sopa till det någon gång. Mig har det hänt en gång under alla dessa år. Och dom fixade då problemet exemplariskt i Stockholm trots att problemet hade skapats i England. Kan man köpa billigare segel, ja men pris per kn och timme tror jag dock att North ligger otroligt bra framme.

            Calle P: det finns väl ändå olika typer av CFD program ??? Jag kan förstå att vissa är gjorda till försäljnings avdelningen men jag vill inte tro att alla dessa människor spenderar miljarder på CFD till AC segel som inte har några kunder.

          • Jonas Jan 6, 2012

            Läsa vad som skrivs och sluta lägga in dina egna perspektiv och värderingar!

    • Author
      Peter Gustafsson Jan 3, 2012 Reply

      Skotar du inte till optimal form?

      Förhållandet mellan “designed shape” och “flying shape” kräver en del jobb. Vi amatörer får fota dem och jämföra (Sailscan-appen ovan, iPad-appen http://www.blur.se/2011/05/23/north-sails-scan/ eller Accumeasure från UK http://www.ukhalsey.com/accumeasuredl.asp

      Om någon vecka kommer en artikel från “Twisted Flow Wind Tunnel” på Auckland där man tar in båtdesigner (VPP), segeldesigner (designed shapes) och segeltrimmer i tunneln. Då kan man arbeta igenom segelgarderoben, skotpunkter och olika trim för att verifiera teoretiska beräkningar och crossovers. Vi vanliga dödliga får ju ta reda på detta den hårda vägen :-)

      Jag har även ett reportage från VSPARS på NZ, där man med hjälp av en liten kamera på däck kan jämföra seglets form med den designade. Quantum körde detta på TP52, många av VOR-projekten har det och även engelsmännens OS-seglare!

      Det är så klart inte bara North som jobbar med de här sakerna, utan artikeln skall framförallt ge en inblick i den komplexitet som finns när man ligger på framkant.

  2. Calle P Jan 4, 2012 Reply

    Jag har jobbat många år med CFD modellering och verklighet och CFD modellerna stämmer normalt väldigt dåligt. Man kan möjligtvis se trender men för absoluta tal är det inte så bra.

    Det största nyttan vi fick av CFD simuleringarna var i säljfasen av projekten. Det fick kunden att känna sig tryggare med de lösningar vi valde.

    Och då skall man veta att det är fler stokastiska variabler när det gäller segling än de jag varit involverat i.

  3. Anders Lewander Jan 4, 2012 Reply

    Jag vill ta tillfället i akt och koppla den teoretiska världen till praktiska situationer inom prestandaförbättring i t.ex Volvo där vi på North Sails Lidingö var delaktiga i varje segels design/CFD/vindtunnel/tillverkning och där jag som skeppare trimmande och byggde erfarenhet i mer än 50.000nm av seglen till Ericsson båtarna.

    Att iterera mellan CFD- och FEM- beräkningar är hela vetenskapen med optimeringen av en segelgarderob och i den ständigt pågående loopen inkludera att med erfarenhet trimma och mäta prestanda och bygga databas för att skapa det verkliga VPP för routing och den ständigt utvecklande segelvalstabellen samt riggen. Att därefter med foto återgå till den teoretiska designen och återkoppla trim erfarenheter till teorin är magiskt utvecklande och hela anledningen till hur viktigt det är med goda förberedelser för ett vinnande team.

    Att trimma modell segel i vindtunnel designade efter rhino-körningar i turbulens, mot praktiska situationer i hela vinkelregistret (som North Sails Lidingö t.ex har gjort med Express spinnakern, dvs kolla twisten, deformationer, olika bomhöjder) är en extremt kostnadeseffektiv utveckling. Mycket utvecklande och tränande för en trimmer, där output från bilder är praktiskt användbara ombord för att hitta snabbaste trimmet. Detta är en daglig del av designarbetet, då de flesta av de designer vi nyttjar till cruising, t.ex gennakers och code 0 har sina grund ‘moulds’ från tex VOR designer. Fantastiska designer, lättseglade i kolsvarta mörkret utanför Hoburgen.

    Det effektiva med CFD- och FEM- är just den möjligheten att i olika trim torrsegla, dvs skota om seglet, mastböj, cunninghamkraft, för att förstå och lära dynamiken och distorsionen i materialet under last så vi kan bygga erfarenheter t.ex. till de nya extremt stumma och isotropiska materialet i 3di seglen.

  4. Jocke_R Jan 4, 2012 Reply

    Några ödmjuka reflektioner från min sida..

    1. Ordet optimera eller optimal ska man inte använda utan i det här fallet handlar det om att förbättra. Det finns mig veterligen ingen tillgänglig CFD-lösare som klarar optimering i akademisk mening (Volkswagen forskar på det, säkert flera andra också) utan det man kan göra är parameterstudier.

    2. Jag är liten kluven till om det är smart att använda detta som en marknadsföringsgrej. Som Pelle påpekade är det ett litet fåtal “vanliga” båtar som tagit del av detta. Man ser ingen biltillverkare visa upp motsvarande arsenal och sedan villigt erkänna att det är bara den dyraste modellen som är förbättrad med hjälp av dessa verktyg.

    3. Itereringen mellan flow och membrain är väl för att spara beräkningskraft dvs slippa köra kopplad CFD med deformerbara kroppar, eller?

    4. Hur som helst tycker jag det är jädrigt fräckt :)

    • Jocke
      Helt enig.
      Naturligtvis är det imagebyggande att jobba med de senaste verktygen och de hetaste projekten och det är väl bra att någon satsar.
      Det ökar åtminstonde på förståelsen och som Lewander skriver så lär man sig alltid något. Idéer kan verifieras osv.
      Men optimering som du säger kan väl man knappast hävda i ordets egentliga betydelse.
      Skulle vara kul om man försökte optimera mot pris/prestanda. Vad blir det för duk/membran då?

  5. Martin Angsell Jan 4, 2012 Reply

    Nedan är några resultat som duktiga seglare presterat med våra segel på Svenska regattor under 2011.
    I de flesta av nedan klasser är våra segel inte dyrare än segel från andra duktiga segelmakare så här borde man kunna få fram en ganska bra siffra på pris/prestanda som du söker.

    -H-Båt SM…1:a
    -Smaragd SM…1:a
    -Drake SM…1:a
    -ÅF Offshore Race, total…1:a
    -ORCi SM…1:a
    -Watski 2 Star Baltic, total…1:a
    -Bohusracet, 2-handed, total…1:a
    -Express SM…1:a (9 av topp 10 dessutom)
    -CB66 SM…1:a
    -Farr 30 Cup…1:a
    -X-35 Cup…1:a
    -C55 SM…1:a
    -2.4mR SM…1:a
    -606 SM…1:a
    -Svenska flerskrovscupen…1:a
    -Optimist SM…1:a
    -IF SM…1:a
    -Rival 22 RM…1:a

    Martin Angsell
    North Sails

    • Då tänkte ju inte jag på 1:a pris. ;-)

    • Gustaf Dyrssen Jan 5, 2012 Reply

      Den listan var längre och mer imponerande än vad jag trodde.

      Hur som, Jag är ingen uteslutande North seglare. Till min F18 har jag ett annat märke som passar mycket bra till den mast jag har. Skulle jag segla Tornado skulle min genacker definitivt komma från Gransegel, till min Laser har jag ett Laser segel (ok ok , man får inte ha något annat) etc. MEN till dom vanliga båtar som jag seglar på som används till kappsegling och familjesegling har dom North segel som vi genom tiderna fått, gjort mig till en otroligt trogen North kund. För att på ett illustriativt sätt visa vad jag menar .

      Här är en bild på ett segel från en vanlig segelmakare som har seglats några timmar men tagits väl omhand:
      http://www.flickr.com/photos/gdyrssen66/6640065061/

      Och här är en bild på ett North segel som kappseglats aktivt med under en lång period, crusing seglats motsvarande några varv runt jorden:
      http://www.flickr.com/photos/gdyrssen66/6640065637/

      I rest my case.

  6. Sture Smith Jul 23, 2012 Reply

    Varfor ar inte Feelgoods EM Guld i ORCi
    med pa North listan. Skall bli kul att folja
    Martin med bes pa VM i Finland.

    Sture Smith
    “Sjoglans”
    Dehler 39 SQ

Leave a reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.