Modelagem CFD de alta precisão de bolas de golfe giratórias em condições de fluxo realistas

• Novo método de dinâmica de fluidos computacional de alto nível simula a física mais precisa das bolas de golfe girando. 
• Ele leva em consideração todos os parâmetros do mundo real e calcula o problema de física dos fluidos em um período de tempo razoável. 

Existem vários parâmetros na mecânica do swing que afetam o giro gerado na bola de golfe. Um golfista profissional pode acertar a bola a uma velocidade de até 215 km/h, resultando em uma taxa de giro de cerca de 3.000 rpm. Essa taxa afeta o vôo que a bola fará no ar.

O objetivo de projetar uma bola de golfe é maximizar o alcance que ela pode atingir em linha reta, ao mesmo tempo que reduz seu arrasto e variação nas forças laterais e maximiza a força de sustentação gerada pelo backspin.

Para compreender o desempenho das bolas de golfe em vários cenários e coletar informações para o desenvolvimento da bola da próxima geração, pesquisadores da Universidade de Stanford criaram as simulações mais avançadas de bolas de golfe estáticas e giratórias que levam em consideração quase todos os parâmetros do mundo real.

Incorporando Aerodinâmica Esportiva

A parte mais importante do design da bola de golfe são as pequenas covinhas ao redor da bola. A profundidade, o tamanho e a posição dessas covinhas são responsáveis ​​pelas propriedades aerodinâmicas da bola em diferentes cenários. Além disso, é necessário ter os detalhes do fluxo de cada ondulação para determinar com precisão essas propriedades.

Pela primeira vez, os pesquisadores apresentaram simulações de dinâmica de fluidos computacionais de alta ordem de bolas de golfe girando em um ambiente do mundo real. Para gerar movimento de malha e grade, eles combinaram a técnica de reconstrução de fluxo com a abordagem de overset de limite artificial.

Superfície da bola de golfe e resolução da grade |  Cortesia de pesquisadores 

Eles desenvolveram novos algoritmos de visualização para utilizar os aceleradores de hardware recentemente construídos. Eles são baseados no método Large Eddy Simulation sem modelos de sub-rede. Isso calcula equações de física de fluidos altamente complexas em menos tempo.

Os algoritmos podem calcular com eficiência campos de fluxo turbulento ao redor da bola nas GPUs NVIDIA Tesla. Eles usaram a mesma unidade de processamento no cluster de computação GPU Xtream da Universidade de Stanford, que tem poder de computação de um petaflop.

As técnicas de alta ordem, como reconstrução de fluxo, são especialmente úteis em configurações de simulação numérica direta ou simulação de grandes redemoinhos. Eles permitem a simulação de fluxos dominados por vórtices com menos graus de liberdade e são executados com mais eficiência em novos processadores em comparação com técnicas convencionais de dinâmica de fluidos computacionais de segunda ordem.

Referência: arXiv:1806.00378 | Universidade de Stanford 

Este é o caso devido às operações de ponto flutuante mais altas executadas por byte de memória consumido por cada algoritmo. Enquanto os algoritmos anteriores dificilmente alcançam um desempenho máximo de 3% em GPUs, o novo método atinge o desempenho máximo de mais de 50% no mesmo hardware.

Este método também pode ser usado para outras bolas esportivas

Linhas de corrente e campo de magnitude de velocidade em y=0 | Cortesia de pesquisadores 

O método produz resultados muito melhores em comparação com técnicas computacionais anteriores. Funciona no número de Reynolds – um número adimensional que mostra o comportamento do fluido – não superior a 500.000.

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Essa técnica de simulação de alta fidelidade também pode ser aplicada a outras aplicações esportivas, como veleiros de baixa velocidade, discos de hóquei e bicicletas em velocidades moderadas. Também pode ser usado para turbomáquinas, pequenos dispositivos voadores não tripulados, multicópteros e sistemas de alta sustentação.