Hochpräzise CFD-Modellierung rotierender Golfbälle unter realistischen Strömungsbedingungen

• Neue Methode der numerischen Strömungsmechanik höherer Ordnung simuliert die genaueste Physik sich drehender Golfbälle. 
• Es berücksichtigt alle realen Parameter und berechnet das Problem der Fluidphysik in angemessener Zeit. 

In der Schwungmechanik gibt es mehrere Parameter, die den auf dem Golfball erzeugten Spin beeinflussen. Ein professioneller Golfer kann den Ball mit einer Geschwindigkeit von bis zu 215 km/h schlagen, was zu einer Spinrate von etwa 3000 U/min führt. Diese Rate beeinflusst den Flug, den der Ball in der Luft nimmt.

Das Ziel bei der Entwicklung eines Golfballs besteht darin, die Reichweite, die er in gerader Linie erreichen kann, zu maximieren, gleichzeitig seinen Widerstand und die Variation der Seitenkräfte zu reduzieren und die durch den Backspin erzeugte Auftriebskraft zu maximieren.

Um die Leistung von Golfbällen in verschiedenen Szenarien zu verstehen und Informationen für die Entwicklung des Balls der nächsten Generation zu sammeln, haben Forscher der Stanford University die fortschrittlichsten Simulationen statischer und sich drehender Golfbälle entwickelt, die nahezu alle realen Parameter berücksichtigen.

Einbindung sportlicher Aerodynamik

Der wichtigste Teil des Golfballdesigns sind kleine Grübchen rund um den Ball. Die Tiefe, Größe und Position dieser Grübchen bestimmen die aerodynamischen Eigenschaften des Balls unter verschiedenen Bedingungen. Darüber hinaus ist es notwendig, die Flussdetails jeder Vertiefung zu kennen, um diese Eigenschaften genau zu bestimmen.

Zum ersten Mal haben Forscher hochrangige numerische Strömungssimulationen rotierender Golfbälle in einer realen Umgebung vorgestellt. Um Netz- und Gitterbewegungen zu erzeugen, kombinierten sie die Flux-Rekonstruktionstechnik mit dem Ansatz der künstlichen Grenzüberschreitung.

Golfballoberfläche und Gitterauflösung |  Mit freundlicher Genehmigung von Forschern 

Sie entwickelten neue Visualisierungsalgorithmen, um die kürzlich gebauten Hardwarebeschleuniger zu nutzen. Sie basieren auf der Large-Eddy-Simulationsmethode ohne Untergittermodelle. Dadurch werden hochkomplexe Gleichungen der Fluidphysik in kürzerer Zeit berechnet.

Die Algorithmen können turbulente Strömungsfelder um den Ball auf NVIDIA Tesla-GPUs effizient berechnen. Sie nutzten die gleiche Recheneinheit im Xtream GPU Computing Cluster der Stanford University, der über eine Rechenleistung von einem Petaflop verfügt.

Die Techniken höherer Ordnung wie die Flussrekonstruktion sind besonders nützlich bei der direkten numerischen Simulation oder der Large-Eddy-Simulation. Sie ermöglichen die Simulation wirbeldominierter Strömungen mit weniger Freiheitsgraden und arbeiten auf neuen Prozessoren effizienter als herkömmliche rechnergestützte Fluiddynamiktechniken zweiter Ordnung.

Referenz: arXiv:1806.00378 | Stanford University 

Dies liegt daran, dass pro von jedem Algorithmus verbrauchtem Speicherbyte höhere Gleitkommaoperationen ausgeführt werden. Während die bisherigen Algorithmen auf GPUs kaum eine Spitzenleistung von 3 % erreichen, erreicht die neue Methode auf derselben Hardware eine Spitzenleistung von mehr als 50 %.

Diese Methode könnte auch für andere Sportbälle verwendet werden

Stromlinien und Geschwindigkeitsgrößenfeld bei y=0 | Mit freundlicher Genehmigung von Forschern 

Die Methode liefert im Vergleich zu früheren Berechnungstechniken weitaus bessere Ergebnisse. Es funktioniert bei einer Reynolds-Zahl – einer dimensionslosen Zahl, die das Verhalten von Flüssigkeiten angibt – von nicht mehr als 500.000.

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Diese hochpräzise Simulationstechnik kann auch auf andere Sportanwendungen angewendet werden, beispielsweise auf langsam fahrende Segelboote, Hockey-Pucks und Fahrräder mit mäßiger Geschwindigkeit. Es kann auch für Turbomaschinen, kleine unbemannte Fluggeräte, Multikopter und Hochauftriebssysteme verwendet werden.