現実的な流れ条件で回転するゴルフボールの高精度 CFD モデリング

• 新しい高次数値流体力学手法は、回転するゴルフ ボールの最も正確な物理学をシミュレートします。 
• 現実世界のパラメータをすべて考慮し、かなりの時間で流体物理学の問題を計算します。 

スイングの仕組みには、ゴルフ ボールに発生するスピンに影響を与えるパラメーターがいくつかあります。プロゴルファーは最高 215 km/h の速度でボールを打つことができ、その結果スピン量は約 3000 rpm になります。この速度は、ボールが空中で飛行する速度に影響します。

ゴルフ ボールの設計の目的は、ボールの抵抗と横方向の力の変動を軽減し、バックスピンによって生成される揚力を最大化しながら、直線での飛距離を最大化することです。

さまざまなシナリオでのゴルフ ボールのパフォーマンスを理解し、次世代ボールの開発のための情報を収集するために、スタンフォード大学の研究者は、現実世界のほぼすべてのパラメーターを考慮した静的および回転ゴルフ ボールの最先端のシミュレーションを考案しました。

スポーツ空気力学の組み込み

ゴルフボールのデザインで最も重要な部分は、ボールの周りの小さなディンプルです。これらのディンプルの深さ、サイズ、位置は、さまざまなシナリオにおけるボールの空力特性を考慮します。さらに、これらの特性を正確に判断するには、各ディンプルの流れの詳細が必要です。

研究者らは、現実世界の環境で回転するゴルフボールの高次数値流体力学シミュレーションを初めて発表した。メッシュとグリッドのモーションを生成するために、フラックス再構成技術と人工境界オーバーセット アプローチを組み合わせました。

ゴルフボールの表面とグリッドの解像度 |  研究者提供

彼らは、最近構築されたハードウェア アクセラレータを利用するための新しい視覚化アルゴリズムを開発しました。これらは、サブグリッド モデルを使用しないラージ エディ シミュレーション手法に基づいています。これにより、非常に複雑な流体物理方程式が短時間で計算されます。

このアルゴリズムは、NVIDIA Tesla GPU 上のボールの周囲の乱流場を効率的に計算できます。彼らは、スタンフォード大学の Xtream GPU コンピューティング クラスターで同じプロセッシング ユニットを使用しました。このクラスターのコンピューティング能力は 1 ペタフロップスです。

磁束再構成のような高次の手法は、直接数値シミュレーションや大規模渦シミュレーション設定で特に役立ちます。これらにより、より少ない自由度で渦支配の流れのシミュレーションが可能になり、従来の 2 次数値流体力学技術と比較して、新しいプロセッサ上でより効率的に実行できます。

参照:arXiv:1806.00378 |スタンフォード大学

これは、各アルゴリズムによって消費されるメモリ バイトごとに実行される高位の浮動小数点演算が原因で発生します。以前のアルゴリズムは GPU 上で 3% のピーク パフォーマンスを達成することがほとんどありませんでしたが、新しい方法では同じハードウェア上で 50% 以上のピーク パフォーマンスを達成します。

この方法は他のスポーツ ボールにも使用できます

y=0 における流線と速度振幅フィールド |研究者提供

この方法では、以前の計算手法と比較してはるかに優れた結果が得られます。レイノルズ数 (流体の挙動を示す無次元数) が 500,000 以下で機能します。

読む:水の新しいシミュレーションはリアルタイムであらゆる細部をキャプチャできます

この忠実度の高いシミュレーション技術は、低速のヨット、ホッケーのパック、中程度の速度の自転車など、他のスポーツ アプリケーションにも適用できます。また、ターボ機械、小型無人飛行装置、マルチコプター、高揚力システムにも使用できます。