Высокоточное CFD-моделирование вращающихся мячей для гольфа в реалистичных условиях потока

• Новый метод вычислительной гидродинамики высокого порядка моделирует наиболее точную физику вращения мячей для гольфа. 
• Он учитывает все параметры реального мира и решает задачу физики жидкости за достаточное количество времени. 

В механике удара есть несколько параметров, которые влияют на вращение мяча для гольфа. Профессиональный игрок в гольф может отбивать мяч со скоростью до 215 км/ч, в результате чего скорость вращения составляет около 3000 об/мин. Эта скорость влияет на полет мяча в воздухе.

Целью разработки мяча для гольфа является максимальное увеличение дальности, на которую он может двигаться по прямой, при этом уменьшая его сопротивление и изменение боковых сил, а также максимизируя подъемную силу, создаваемую обратным вращением.

Чтобы понять поведение мячей для гольфа в различных сценариях и собрать информацию для разработки мяча следующего поколения, исследователи из Стэнфордского университета придумали самые сложные модели статических и вращающихся мячей для гольфа, которые учитывают практически все реальные параметры.

Использование спортивной аэродинамики

Самая важная часть дизайна мяча для гольфа — это небольшие ямочки вокруг мяча. Глубина, размер и положение этих ямок определяют аэродинамические свойства мяча в различных сценариях. Более того, для точного определения этих свойств необходимо иметь данные о потоке каждой лунки.

Впервые исследователи представили высокоуровневое вычислительное моделирование гидродинамики вращения мячей для гольфа в реальной среде. Чтобы создать движение сетки и сетки, они объединили технику реконструкции потока с подходом смещения искусственной границы.

Поверхность мяча для гольфа и разрешение сетки |  С разрешения исследователей 

Они разработали новые алгоритмы визуализации для использования недавно созданных аппаратных ускорителей. Они основаны на методе моделирования больших вихрей без подсеточных моделей. Это позволяет вычислять очень сложные уравнения физики жидкостей за меньшее время.

Алгоритмы могут эффективно рассчитывать поля турбулентного потока вокруг шара на графических процессорах NVIDIA Tesla. Они использовали тот же процессор в вычислительном кластере Xtream GPU в Стэнфордском университете, вычислительная мощность которого составляет один петафлопс.

Методы высокого порядка, такие как реконструкция потока, особенно полезны в настройках прямого численного моделирования или моделирования больших вихрей. Они позволяют моделировать потоки с преобладанием вихрей с меньшим количеством степеней свободы и более эффективно работать на новых процессорах по сравнению с традиционными методами вычислительной гидродинамики второго порядка.

Ссылка: arXiv:1806.00378 | Стэнфордский университет 

Это происходит из-за более высоких операций с плавающей запятой, выполняемых на каждый байт памяти, потребляемый каждым алгоритмом. В то время как предыдущие алгоритмы едва ли достигают пиковой производительности в 3 % на графических процессорах, новый метод достигает пиковой производительности более 50 % на том же оборудовании.

Этот метод можно использовать и для других спортивных мячей

Линии тока и поле величин скорости при y=0 | С разрешения исследователей 

Этот метод дает гораздо лучшие результаты по сравнению с предыдущими вычислительными методами. Он работает при числе Рейнольдса – безразмерном числе, показывающем поведение жидкости – не более 500 000.

Читайте:Новое моделирование воды позволяет улавливать каждую мельчайшую деталь в режиме реального времени

Этот метод высокоточного моделирования также можно применять к другим спортивным приложениям, таким как тихоходные парусные лодки, хоккейные шайбы и велосипеды на умеренных скоростях. Его также можно использовать для турбомашин, небольших беспилотных летательных аппаратов, мультикоптеров и систем большой подъемной силы.