Hoogprecieze CFD-modellering van draaiende golfballen in realistische vloeistofcondities

• Nieuwe high-order computational fluid dynamics-methode simuleert de meest nauwkeurige fysica van draaiende golfballen.
• Het rekening houdt met alle real-world parameters en lost het vloeistoffysica-probleem in een redelijke tijd op.

Er zijn verschillende parameters in de zwaaimechanica die de spin beïnvloeden die op de golfbal wordt gegenereerd. Een professionele golfer kan de bal met een snelheid van maximaal 215 km/u raken, wat resulteert in een spinsnelheid van ongeveer 3000 rpm. Deze snelheid beïnvloedt de vlucht die de bal in de lucht zal nemen.

Het doel van het ontwerpen van een golfbal is de bereik dat het in een rechte lijn kan afleggen te maximaliseren, terwijl de weerstand en variatie in zijwaarden worden verminderd, en de lift-kracht die wordt gegenereerd door backspin te maximaliseren.

Om de prestaties van golfballen onder verschillende scenario's te begrijpen en informatie te verzamelen voor de ontwikkeling van de volgende generatie bal, hebben onderzoekers van de Universiteit van Stanford de meest geavanceerde simulaties van statische en draaiende golfballen ontwikkeld die bijna alle real-world parameters in rekening brengen.

Sportaerodynamica incorporeren

Het meest cruciale deel van golfbalontwerp zijn de kleine kuiltjes rondom de bal. De diepte, grootte en positie van deze kuiltjes bepalen de aerodynamische eigenschappen van de bal onder verschillende scenario's. Bovendien is het noodzakelijk om de stroomsdetails van elk kuiltje te hebben om deze eigenschappen nauwkeurig te bepalen.

Voor het eerst hebben onderzoekers high-order computational fluid dynamics-simulaties van draaiende golfballen in een real-world-omgeving gepresenteerd. Om mesh en grid-beweging te genereren, combineerden ze de Flux Reconstruction-techniek met de Artificial Boundary overset-benadering.

Golfbaloppervlak en grid-resolutie | Met dank aan de onderzoekers

Ze ontwikkelden nieuwe visualisatie-algoritmen om de recent gebouwde hardwareversnellers te benutten. Deze zijn gebaseerd op de Large Eddy Simulation-methode zonder sub-grid-modellen. Dit berekent hoogst complexe vloeistoffysica-vergelijkingen in minder tijd.

De algoritmen kunnen efficiënt turbulente stroombollen rondom de bal berekenen op NVIDIA Tesla GPU's. Ze gebruikten dezelfde verwerkingseenheid op de Xtream GPU computing-cluster van de Universiteit van Stanford, die een rekenkracht van één petaflop heeft.

High-order-technieken zoals Flux Reconstruction zijn met name nuttig in Direct Numerical Simulation- of Large Eddy Simulation-instellingen. Ze maken simulatie van vortex-gedomineerde stromingen mogelijk met minder vrijheidsgraden en voeren efficiënter uit op nieuwe processors vergeleken met conventionele second-order computational fluid dynamics-technieken.

Dit komt doordat er hogere floating-point-operaties per geheugenbyte worden uitgevoerd door elk algoritme. Terwijl eerdere algoritmes nauwelijks een piekprestatie van 3% op GPU's haalden, bereikt de nieuwe methode een piekprestatie van meer dan 50% op dezelfde hardware.

Deze methode kan ook voor andere sportballen gebruikt worden

Stroomlijnen en snelheidsgrootteveld bij y=0 | Met dank aan de onderzoekers

De methode levert ver betere resultaten op vergeleken met eerdere computationele technieken. Het functioneert bij Reynolds-getal — een dimensieloos getal dat het gedrag van vloeistof weergeeft — van niet meer dan 500.000.

Lees ook: Nieuwe simulatie van water vangt elk klein detail in real-time

Deze high-fidelity simulatiemethode kan ook toegepast worden op andere sporttoepassingen, zoals langzame zeilboten, hockeypucks en fietsen bij matige snelheden. Het kan ook gebruikt worden voor turbomachines, kleine bemande vliegtoestellen, multicopters en high-lift-systemen.