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

• El nuevo método de dinámica de fluidos computacional de alto orden simula la física más precisa del giro de pelotas de golf. 
• Tiene en cuenta todos los parámetros del mundo real y calcula el problema de física de fluidos en bastante tiempo. 

Hay varios parámetros en la mecánica del swing que afectan el efecto generado en la pelota de golf. Un golfista profesional puede golpear la pelota a una velocidad de hasta 215 km/h, lo que da como resultado una velocidad de giro de aproximadamente 3000 rpm. Esta velocidad afecta el vuelo que tomará la pelota en el aire.

El objetivo de diseñar una pelota de golf es maximizar el alcance que puede recorrer en línea recta, al tiempo que se reduce su resistencia y la variación de las fuerzas laterales, y se maximiza la fuerza de sustentación generada por el efecto de retroceso.

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

Incorporando la Aerodinámica Deportiva

La parte más importante del diseño de una pelota de golf son los pequeños hoyuelos alrededor de la pelota. La profundidad, el tamaño y la posición de estos hoyuelos explican las propiedades aerodinámicas de la pelota en diferentes escenarios. Además, es necesario conocer los detalles del flujo de cada hoyuelo para determinar con precisión estas propiedades.

Por primera vez, los investigadores han presentado simulaciones de dinámica de fluidos computacional de alto orden de pelotas de golf girando en un entorno del mundo real. Para generar movimiento de malla y rejilla, combinaron la técnica de reconstrucción de flujo con un enfoque de desplazamiento de límites artificiales.

Resolución de la superficie y la cuadrícula de la pelota de golf |  Cortesía de investigadores 

Desarrollaron nuevos algoritmos de visualización para utilizar los aceleradores de hardware construidos recientemente. Se basan en el método de simulación de grandes remolinos sin modelos de subred. Esto calcula ecuaciones de física de fluidos altamente complejas en menos tiempo.

Los algoritmos pueden calcular de manera eficiente campos de flujo turbulento alrededor de la pelota en las GPU NVIDIA Tesla. Utilizaron la misma unidad de procesamiento en el clúster informático Xtream GPU de la Universidad de Stanford, que tiene una potencia informática de un petaflop.

Las técnicas de alto orden, como la reconstrucción de flujo, son especialmente útiles en entornos de simulación numérica directa o simulación de grandes remolinos. Permiten la simulación de flujos dominados por vórtices con menos grados de libertad y se ejecutan de manera más eficiente en nuevos procesadores en comparación con las técnicas convencionales de dinámica de fluidos computacional de segundo orden.

Referencia: arXiv:1806.00378 | Universidad de Stanford 

Este es el caso debido a que se ejecutan más operaciones de punto flotante por byte de memoria consumido por cada algoritmo. Mientras que los algoritmos anteriores apenas alcanzan un rendimiento máximo del 3 % en GPU, el nuevo método logra un rendimiento máximo de más del 50 % en el mismo hardware.

Este método también podría usarse para otros balones deportivos

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

El método produce resultados mucho mejores en comparación con técnicas computacionales anteriores. Funciona con un 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 se puede aplicar a otras aplicaciones deportivas, como veleros de baja velocidad, discos de hockey y bicicletas a velocidades moderadas. También se puede utilizar para turbomáquinas, pequeños dispositivos voladores no tripulados, multicópteros y sistemas de gran elevación.