高尔夫球中的CFD仿真模拟——球手和制造商的双赢秘诀

在竞争激烈的高尔夫球比赛中，1%的装备性能差异能够决定选手的成功与否。高尔夫装备制作生产商们利用有限元分析法将高尔夫球反弹速率提高，或者改善球杆的性能，增大球的飞行距离。

全球顶尖的高尔夫球装备制造商对一套新球杆进行优化，在不降低强度的前提下让球杆头变得更薄。还通过改进球杆头和高尔夫球生长线, 使得产品的反弹速率提高5%，从而有效提高射距。

球杆仿真设计的过程

工程师们通过仿真软件来研发和优化杆头上的空气流动。

人在挥杆靠近球杆表面的地方时，会激起气流，促成湍流边界层的转换，从而延长了杆头后方分离区的形成时间。这样就能缩小湍流尾迹的大小，从而增大杆头后方的压力，并减小阻力。

他们首先将现有杆头设计模型导入仿真软件，然后自动生成由四面体单元和六面体单元组成的混合网格。为实现杆头和空气流之间的较高精度的边界层，首选六面体单元。工程师研发出一系列不同的模型，来分别定义向下挥杆过程中球杆的每一段距离。

仿真可以解释挥杆之前的球杆模型时所发生的物理现象。挥杆时产生的气流在杆头的前缘分离，导致杆头后方形成较大的尾迹。这一洞察力信息让工程师有了新的思路。为杆头顶面添加脊状物是否会产生湍流，以延迟杆头后方的气流分离，从而减小尾迹区以及阻力的大小呢？

工程师对CFD模型进行了修改，他们添加了扰流器，随后利用不同数量以及不同长度、宽度和相对于杆头不同角度的扰流器开展了一系列仿真。每个杆头设计均在CAD程序中创建，然后导出。在不同的速度干预下，以评估每种设计如何影响不同水平的高尔夫球手的表现。他们最后收敛得到一种扰流器配置，该配置既能最大限度延迟气流的分离，又能提供最小的阻力。

验证仿真结果

工程师利用风洞设置，在与仿真时相同的角度和速度下对有扰流器和无扰流器的杆头进行测试。当球杆与空气流成直角时，工程师观察到与标准球杆相比，装有扰流器的球杆阻力从9牛顿下降到6.7牛顿，减少了25%。击球时标准球杆所承受的下压力略大于1.5牛顿，而装有扰流器的球杆会承受大约为0.5牛顿的升力。

击球后的球杆打击面压力

在风洞中使用烟雾流可以实现气流可视化。烟雾的照片显示，对于标准杆头而言，在没有扰流器的情况下，杆头的顶部前缘会发生气流层状分离。在装有扰流器的球杆头部，气流分离有明显延迟的现象。物理测试中观测到的阻力减小和气流分离延迟与气流仿真的结果高度吻合。

示流线和球杆打击面压力分布

最后通过高尔夫球手亲自测试，比较新球杆和普通球杆的杆头速度。该测试显示平均杆头速度增加了大约1英里/小时。球的速度与杆头速度的比值一般在1.3到1.5之间，这意味着球速增加量可以达到1.5英里/小时，展示了更良好的球的飞行速度。

研究球进凹坑的影响

除此之外，流体动力学还可以研究高尔夫球凹坑及其对在空中行进的球的影响。

基本上，进球时有两种类型的流体动态流动：层流和湍流。当球是平滑的时，它会产生接近层流的现象。在这种情况下，下游的气流以涡流的形式从球的表面分离。这种现象称为流动分离，它会在球后面产生粘性尾流，使其减慢速度。

当球飞向凹坑时，会在球表面附近产生湍流并在球周围产生两层空气。因为顶层的空气比底层的流动速度更快，即空气紧贴球的表面，因而会减少空气阻力，有助于球向更快更远的方向前进。

当球围绕垂直于其行进的平面的轴旋转时，球会往上升，通常以高度对称的方式覆盖有凹坑。如果球不对称，球会摇摆，或者球的飞行将取决于球旋转时的方向。

假设球的一侧只有凹坑。球倾向于朝向具有凹坑的侧面弯曲，因为尾流朝向平滑的侧面产生。例如，如果下图中所示的球沿着相同的观察方向被击中，则它将向左移动。

合理利用仿真技术能够帮助企业更快地推出质量更好的产品，从而占领市场先机。例如Advanced International Multitech公司的新产品发布后，在最近的一个财年内的销售额增长了将近40%。