Modélisation CFD de haute précision de balles de golf en rotation dans des conditions d'écoulement réalistes

• Une nouvelle méthode informatique de dynamique des fluides d'ordre élevé simule la physique la plus précise de la rotation des balles de golf. 
• Il prend en compte tous les paramètres du monde réel et calcule le problème de physique des fluides en un temps raisonnable. 

Il existe plusieurs paramètres dans la mécanique du swing qui affectent la rotation générée sur la balle de golf. Un golfeur professionnel peut frapper la balle à une vitesse allant jusqu'à 215 km/h, ce qui correspond à une vitesse de rotation d'environ 3 000 tr/min. Ce taux affecte le vol que la balle effectuera dans les airs.

L'objectif de la conception d'une balle de golf est de maximiser la portée qu'elle peut parcourir en ligne droite, tout en réduisant sa traînée et la variation des forces latérales, et en maximisant la force de portance générée par le backspin.

Afin de comprendre les performances des balles de golf dans divers scénarios et de collecter des informations pour développer la balle de nouvelle génération, des chercheurs de l'Université de Stanford ont mis au point les simulations les plus avancées de balles de golf statiques et en rotation qui prennent en compte presque tous les paramètres du monde réel.

Intégrer l'aérodynamique sportive

La partie la plus cruciale de la conception d’une balle de golf réside dans les petites alvéoles autour de la balle. La profondeur, la taille et la position de ces alvéoles expliquent les propriétés aérodynamiques de la balle dans différents scénarios. De plus, il est nécessaire de disposer des détails d'écoulement de chaque fossette pour déterminer avec précision ces propriétés.

Pour la première fois, des chercheurs ont présenté des simulations informatiques de haut niveau de dynamique des fluides de balles de golf en rotation dans un environnement réel. Pour générer un mouvement de maillage et de grille, ils ont combiné la technique de reconstruction de flux avec une approche de dépassement des limites artificielles.

Surface de la balle de golf et résolution de la grille |  Avec l'aimable autorisation des chercheurs 

Ils ont développé de nouveaux algorithmes de visualisation pour utiliser les accélérateurs matériels récemment construits. Ils sont basés sur la méthode de simulation aux grandes échelles sans modèles de sous-grille. Cela calcule des équations de physique des fluides très complexes en moins de temps.

Les algorithmes peuvent calculer efficacement les champs d'écoulement turbulents autour du ballon sur les GPU NVIDIA Tesla. Ils ont utilisé la même unité de traitement dans le cluster informatique Xtream GPU de l'Université de Stanford, qui dispose d'une puissance de calcul d'un pétaflop.

Les techniques d'ordre élevé telles que la reconstruction de flux sont particulièrement utiles dans les paramètres de simulation numérique directe ou de simulation à grandes échelles. Ils permettent de simuler des écoulements dominés par des vortex avec moins de degrés de liberté et s'exécutent plus efficacement sur de nouveaux processeurs par rapport aux techniques classiques de dynamique des fluides computationnelle du second ordre.

Référence : arXiv:1806.00378 | Université de Stanford 

C'est le cas en raison du nombre plus élevé d'opérations à virgule flottante exécutées par octet de mémoire consommé par chaque algorithme. Alors que les algorithmes précédents atteignent à peine une performance maximale de 3 % sur les GPU, la nouvelle méthode atteint des performances maximales de plus de 50 % sur le même matériel.

Cette méthode pourrait également être utilisée pour d'autres ballons de sport

Rationalisations et champ d'amplitude de vitesse à y =0 | Avec l'aimable autorisation des chercheurs 

La méthode donne de bien meilleurs résultats que les techniques de calcul précédentes. Il fonctionne avec un nombre de Reynolds – un nombre sans dimension qui montre le comportement d'un fluide – ne dépassant pas 500 000.

Lire :Une nouvelle simulation de l'eau peut capturer chaque petit détail en temps réel

Cette technique de simulation haute fidélité peut également être appliquée à d’autres applications sportives, comme les voiliers à vitesse lente, les rondelles de hockey et les vélos à vitesse modérée. Il peut également être utilisé pour les turbomachines, les petits appareils volants sans pilote, les multicoptères et les systèmes de grande portance.