Modelado CFD de alta precisión de pelotas de golf giratorias en condiciones de flujo realistas

• Nuevo método de dinámica de fluidos computacional de alto orden simula la física más precisa de pelotas de golf giratorias.
• Toma en cuenta todos los parámetros del mundo real y resuelve el problema de física de fluidos en un tiempo razonable.

Hay varios parámetros en la mecánica del swing que afectan el spin generado en la pelota de golf. Un golfista profesional puede golpear la pelota a una velocidad de hasta 215 km/h, resultando en una tasa de spin de unas 3000 rpm. Esta tasa afecta el vuelo que la pelota tomará en el aire.

El objetivo del diseño de una pelota de golf es maximizar el alcance que puede alcanzar en línea recta, reduciendo su arrastre y variación en fuerzas laterales, y maximizando la fuerza de sustentación generada por el backspin.

Para entender el rendimiento de pelotas de golf bajo diversos escenarios y recopilar información para desarrollar la pelota de próxima generación, investigadores de la Universidad de Stanford han ideado las simulaciones más avanzadas de pelotas de golf estáticas y giratorias que toman casi todos los parámetros del mundo real en cuenta.

Incorporando aerodinámica deportiva

La parte más crucial del diseño de pelota de golf son los pequeños hoyuelos alrededor de la pelota. La profundidad, tamaño y posición de estos hoyuelos determinan las propiedades aerodinámicas de la pelota bajo diferentes escenarios. Además, es necesario tener los detalles de flujo de cada hoyuelo para determinar estas propiedades con precisión.

Por primera vez, investigadores han presentado simulaciones de dinámica de fluidos computacional de alto orden de pelotas de golf giratorias en un entorno real. Para generar malla y movimiento de grid, combinaron la técnica de Flux Reconstruction con el enfoque Artificial Boundary overset.

Superficie de pelota de golf y resolución de grid | Cortesía de los investigadores

Desarrollaron nuevos algoritmos de visualización para utilizar los aceleradores de hardware recientemente construidos. Están basados en el método Large Eddy Simulation sin modelos sub-grid. Esto computa ecuaciones de física de fluidos altamente complejas en menos tiempo.

Los algoritmos pueden computar eficientemente campos de flujo turbulento alrededor de la pelota en GPUs NVIDIA Tesla. Usaron la misma unidad de procesamiento en el clúster de computación GPU Xtream en la Universidad de Stanford, que tiene una potencia de cómputo de un petaflop.

Las técnicas de alto orden como Flux Reconstruction son especialmente útiles en configuraciones de Direct Numerical Simulation o Large Eddy Simulation. Permiten simular flujos dominados por vórtices con menos grados de libertad, y ejecutan más eficientemente en nuevos procesadores comparado con técnicas convencionales de dinámica de fluidos computacional de segundo orden.

Referencia: arXiv:1806.00378 | Universidad de Stanford

Esto se debe a las mayores operaciones de punto flotante ejecutadas por byte de memoria consumido por cada algoritmo. Mientras los algoritmos previos apenas lograban un rendimiento pico del 3% en GPUs, el nuevo método alcanza un rendimiento pico de más del 50% en el mismo hardware.

Este método podría usarse para otras pelotas deportivas también

Líneas de corriente y campo de magnitud de velocidad en y=0 | Cortesía de los investigadores

El método produce resultados mucho mejores comparado con técnicas computacionales previas. Funciona a número de Reynolds — un número adimensional que muestra el comportamiento del fluido — de no más de 500.000.

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Esta técnica de simulación de alta fidelidad también puede aplicarse a otras aplicaciones deportivas, como veleros de baja velocidad, discos de hockey y bicicletas a velocidades moderadas. También puede usarse para turbomaquinaria, pequeños dispositivos voladores no tripulados, multicópteros y sistemas de alta sustentación.