Высокоточное CFD-моделирование вращающихся гольф-мячей в реалистичных потоковых условиях

• Новый высокоордерный метод вычислительной гидродинамики моделирует наиболее точную физику вращающихся гольф-мячей.
• Он учитывает все реальные параметры и решает задачу физики потока за разумное время.

Существует несколько параметров в механике удара, влияющих на спин, генерируемый на гольф-мяче. Профессиональный гольфист может ударить мяч со скоростью до 215 км/ч, в результате чего спин составляет около 3000 об/мин. Этот показатель влияет на траекторию полета мяча в воздухе.

Цель проектирования гольф-мяча — максимизировать дальность полета в прямой линии, уменьшая его лобовое сопротивление и вариацию боковых сил, и максимизировать подъемную силу, генерируемую задним спином.

Чтобы понять производительность гольф-мячей в различных сценариях и собрать информацию для разработки следующего поколения мяча, исследователи Стэнфордского университета разработали самые передовые симуляции статичных и вращающихся гольф-мячей, учитывающие почти все реальные параметры.

Включение спортивной аэродинамики

Самая важная часть дизайна гольф-мяча — маленькие вмятины вокруг мяча. Глубина, размер и положение этих вмятин отвечают за аэродинамические свойства мяча в разных сценариях. Более того, необходимо иметь детали потока каждой вмятины для точного определения этих свойств.

Впервые исследователи представили высокоордерные вычислительные симуляции гидродинамики вращающихся гольф-мячей в реальном окружении. Для генерации сетки и движения сетки они соединили технику Flux Reconstruction с подходом Artificial Boundary overset.

Поверхность гольф-мяча и разрешение сетки | По материалам исследователей

Они разработали новые алгоритмы визуализации для использования недавно созданных аппаратных ускорителей. Они основаны на методе Large Eddy Simulation без субгридных моделей. Это вычисляет высоко сложные уравнения физики потока за меньшее время.

Алгоритмы могут эффективно вычислять турбулентные поля потока вокруг мяча на GPU NVIDIA Tesla. Они использовали ту же обработку в кластере Xtream GPU computing в Стэнфордском университете, имеющем вычислительную мощность один петафлоп.

Высокоордерные техники вроде Flux Reconstruction особенно полезны в настройках Direct Numerical Simulation или Large Eddy Simulation. Они позволяют моделировать вихрево-доминантные потоки с меньшим числом степеней свободы и выполнять более эффективно на новых процессорах по сравнению с традиционными вторым порядком техниками вычислительной гидродинамики.

Ссылка: arXiv:1806.00378 | Стэнфордский университет

Это происходит из-за более высоких операций с плавающей точкой, выполняемых на байт памяти, потребляемой каждым алгоритмом. В то время как предыдущие алгоритмы едва достигали пиковой производительности 3% на GPU, новый метод достигает пиковой производительности более 50% на том же оборудовании.

Этот метод может использоваться и для других спортивных мячей

Линии тока и поле величины скорости при y=0 | По материалам исследователей

Метод дает гораздо лучшие результаты по сравнению с предыдущими вычислительными техниками. Он функционирует при числе Рейнольдса — безразмерном числе, показывающем поведение потока — не более 500 000.

Читайте также: Новая симуляция воды может улавливать каждую крошечную деталь в реальном времени

Эта техника высокоточной симуляции также может применяться к другим спортивным приложениям, как медленные парусники, шайбы для хоккея и велосипеды на умеренных скоростях. Она также может использоваться для турбомашин, малых беспилотных летательных аппаратов, мультикоптеров и систем с высокой подъемной силой.