현실적인 흐름 조건에서 회전하는 골프공의 고정밀 CFD 모델링

• 새로운 고차 전산유체역학 방법은 회전하는 골프공의 가장 정밀한 물리학을 시뮬레이션합니다. 
• 실제 매개변수를 모두 고려하여 상당한 시간 내에 유체 물리학 문제를 계산합니다. 

스윙 메커니즘에는 골프공에서 생성되는 스핀에 영향을 미치는 여러 매개변수가 있습니다. 프로 골퍼는 최대 시속 215km의 속도로 공을 칠 수 있어 회전수는 약 3000rpm에 달합니다. 이 비율은 공이 공중에서 날아가는 비행에 영향을 미칩니다.

골프공을 설계하는 목적은 직선으로 갈 수 있는 범위를 최대화하는 동시에 항력과 측면 힘의 변화를 줄이고 백스핀으로 생성되는 양력을 최대화하는 것입니다.

다양한 시나리오에서 골프공의 성능을 이해하고 차세대 공 개발을 위한 정보를 수집하기 위해 스탠포드 대학의 연구원들은 거의 모든 실제 매개변수를 고려하는 정적 및 회전 골프공에 대한 가장 진보된 시뮬레이션을 고안했습니다.

스포츠 공기역학 통합

골프공 디자인에서 가장 중요한 부분은 공 주변의 작은 딤플입니다. 이러한 딤플의 깊이, 크기 및 위치는 다양한 시나리오에서 공의 공기역학적 특성을 설명합니다. 또한 이러한 특성을 정확하게 결정하려면 각 딤플의 흐름 세부 정보가 필요합니다.

연구자들은 처음으로 실제 환경에서 회전하는 골프공에 대한 고차 전산 유체 역학 시뮬레이션을 제시했습니다. 메시 및 그리드 모션을 생성하기 위해 Flux Reconstruction 기술과 인공 경계 오버셋 접근 방식을 결합했습니다.

골프 공 표면 및 그리드 해상도 |  연구원 제공 

그들은 최근 구축된 하드웨어 가속기를 활용하기 위해 새로운 시각화 알고리즘을 개발했습니다. 이는 하위 그리드 모델이 없는 Large Eddy Simulation 방법을 기반으로 합니다. 이는 매우 복잡한 유체 물리학 방정식을 더 짧은 시간에 계산합니다.

알고리즘은 NVIDIA Tesla GPU에서 공 주위의 난류장을 효율적으로 계산할 수 있습니다. 그들은 1페타플롭의 컴퓨팅 성능을 갖춘 스탠포드 대학의 Xtream GPU 컴퓨팅 클러스터에서 동일한 처리 장치를 사용했습니다.

Flux Reconstruction과 같은 고차 기술은 직접 수치 시뮬레이션 또는 대규모 Eddy 시뮬레이션 설정에 특히 유용합니다. 더 적은 자유도로 소용돌이가 지배하는 흐름을 시뮬레이션할 수 있으며 기존의 2차 전산 유체 역학 기술에 비해 새로운 프로세서에서 더 효율적으로 실행됩니다.

참조: arXiv:1806.00378 | 스탠포드 대학교 

이는 각 알고리즘이 소비하는 메모리 바이트당 더 높은 부동 소수점 연산이 실행되기 때문입니다. 이전 알고리즘은 GPU에서 3%의 최고 성능을 거의 달성하지 못했지만, 새로운 방법은 동일한 하드웨어에서 50% 이상의 최고 성능을 달성합니다.

이 방법은 다른 스포츠 공에도 사용할 수 있습니다

y=0에서의 유선형 및 속도 크기 필드 | 연구원 제공 

이 방법은 이전 계산 기술에 비해 훨씬 더 나은 결과를 산출합니다. 이는 유체의 거동을 나타내는 무차원 수인 레이놀즈 수에서 500,000 이하로 작동합니다.

읽기:물에 대한 새로운 시뮬레이션으로 모든 작은 세부사항을 실시간으로 포착할 수 있음

이 고충실도 시뮬레이션 기술은 저속 범선, 하키 퍽, 중간 속도의 자전거 등 다른 스포츠 애플리케이션에도 적용할 수 있습니다. 터보 기계, 소형 무인 비행 장치, 멀티콥터, 고양력 시스템에도 사용할 수 있습니다.