Uiterst nauwkeurige CFD-modellering van draaiende golfballen in realistische stroomomstandigheden

• Nieuwe hoogwaardige computationele vloeistofdynamica-methode simuleert de meest nauwkeurige fysica van draaiende golfballen. 
• Het houdt rekening met alle parameters uit de echte wereld en berekent het vloeistoffysica-probleem in een behoorlijke hoeveelheid tijd. 

Er zijn verschillende parameters in het swingmechanisme die van invloed zijn op de spin die op de golfbal wordt gegenereerd. Een professionele golfer kan de bal slaan met een snelheid tot 215 km/u, wat resulteert in een spinsnelheid van ongeveer 3000 tpm. Deze snelheid heeft invloed op de vlucht die de bal in de lucht maakt.

Het doel van het ontwerpen van een golfbal is om het bereik dat de bal in een rechte lijn kan afleggen te maximaliseren, terwijl de weerstand en de variatie in zijwaartse krachten worden verminderd, en de liftkracht die wordt gegenereerd door backspin wordt gemaximaliseerd.

Om de prestaties van golfballen onder verschillende scenario's te begrijpen en om informatie te verzamelen voor de ontwikkeling van de bal van de volgende generatie, hebben onderzoekers van Stanford University de meest geavanceerde simulaties van statische en draaiende golfballen bedacht, die rekening houden met bijna alle parameters uit de echte wereld.

Inclusief sportaerodynamica

Het meest cruciale onderdeel van het ontwerp van een golfbal zijn kleine kuiltjes rond de bal. De diepte, grootte en positie van deze kuiltjes zijn verantwoordelijk voor de aerodynamische eigenschappen van de bal onder verschillende scenario's. Bovendien is het noodzakelijk om over de stromingsdetails van elk kuiltje te beschikken om deze eigenschappen nauwkeurig te kunnen bepalen.

Voor het eerst hebben onderzoekers computersimulaties van de vloeistofdynamica van draaiende golfballen in een echte omgeving gepresenteerd. Om mesh- en gridbewegingen te genereren, combineerden ze de Flux Reconstruction-techniek met de Artificial Boundary overset-aanpak.

Golfbaloppervlak en rasterresolutie |  Met dank aan onderzoekers 

Ze ontwikkelden nieuwe visualisatie-algoritmen om gebruik te maken van de recent gebouwde hardwareversnellers. Ze zijn gebaseerd op de Large Eddy Simulation-methode zonder subgridmodellen. Dit berekent zeer complexe vloeistoffysische vergelijkingen in minder tijd.

De algoritmen kunnen op efficiënte wijze turbulente stromingsvelden rond de bal berekenen op NVIDIA Tesla GPU's. Ze gebruikten dezelfde verwerkingseenheid bij het Xtream GPU-computercluster aan Stanford University, dat een rekenkracht heeft van één petaflop.

De hoogwaardige technieken zoals Flux Reconstruction zijn vooral handig in de instellingen voor Directe Numerieke Simulatie of Grote Eddy Simulatie. Ze maken simulatie van door wervels gedomineerde stromingen mogelijk met minder vrijheidsgraden, en worden efficiënter uitgevoerd op nieuwe processors in vergelijking met conventionele tweede-orde computationele vloeistofdynamica-technieken.

Referentie: arXiv:1806.00378 | Stanford Universiteit

Dit is het geval vanwege de hogere drijvende-kommabewerkingen die worden uitgevoerd per geheugenbyte die door elk algoritme wordt verbruikt. Terwijl de vorige algoritmen nauwelijks piekprestaties van 3% op GPU's behaalden, haalt de nieuwe methode piekprestaties van meer dan 50% op dezelfde hardware.

Deze methode kan ook voor andere sportballen worden gebruikt

Stroomlijnt en snelheidsgrootteveld bij y=0 | Met dank aan onderzoekers 

De methode levert veel betere resultaten op in vergelijking met eerdere computertechnieken. Het functioneert op het Reynoldsgetal – een dimensieloos getal dat het gedrag van vloeistof weergeeft – van niet meer dan 500.000.

Lezen:Nieuwe simulatie van water kan elk klein detail in realtime vastleggen

Deze hifi-simulatietechniek kan ook worden toegepast op andere sporttoepassingen, zoals langzame zeilboten, hockeypucks en fietsen met gematigde snelheden. Het kan ook worden gebruikt voor turbomachines, kleine onbemande vliegtoestellen, multicopters en high-lift-systemen.