大力挥杆,精彩远射

作者:Erik Henrikson,美国Phoenix市PING Golf公司创新与装置科学经理

设计高尔夫球杆时需要权衡取舍。杆面大 且重心(CG)位置深的球杆,其惯性矩也大,因此误击的几率较小;而较小的杆面和几何结构能够减小阻力,加快挥杆速度,增大飞行距离。PING利用ANSYS流体仿真设计新型球杆的独特空气动力学特性,其不仅能够减小阻力,还有助于实现大杆面和深重心,从而在发生偏心击球时保持平稳,同时增加飞行距离。

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Clubhead wake simulation

Ping G driver

 
 
 
 
 
 
 
 
新款PING G系列球杆的扰流器安装于杆头顶部。

50多年来,PING公司致力于研发高尔夫球杆,帮助业余爱好者和专业高尔夫球手充分发挥自身潜能。因为PING公司的不断创新和设计专业水平,许多高尔夫冠军球手都选用PING球杆。为保持持续创新的速度,工程师充分利用每一种可用工具来努力实现设计目标。PING的工程师采用ANSYS计算流体动力学(CFD)解决方案来改善球杆的空气动力学特性。

通常,高尔夫球杆的杆面设计目标是:在规则允许的范围内尽可能大,同时保证其质量分布在尽可能远离杆面中心的位置。这样就可以增大球杆的惯性矩,该指标可用来衡量球杆对于角加速度的阻力。所以,如果杆面与球接触的位置偏离杆面中心,这种球杆阻止旋转的能力相比于惯性矩较低的球杆更强。大杆面能够扩大球杆在各个方向的有效甜蜜点(最佳击球位置),帮助使用者更轻松地直接击中球。

但是大杆面和质量分布距杆面中心较远的球杆一般会造成较大的阻力,这种阻力的绝大部分来自于球杆前后的压力差。这是因为围绕一个钝头物体的气流会与钝体分离,并在钝体的后方形成分离区或环流区。气流在钝体前方的产生的压力较大,而在钝体后方分离区的压力较小。这种压力差会产生阻力,从而降低高尔夫球手通过球杆头击球的速度,进而降低球速并缩短飞行距离。

PING使用ANSYS CFD软件来研发和优化杆头上的空气动力学特性设计。这种空气动力学特性在靠近球杆表面的地方激起气流,促成湍流边界层的转换,从而延迟了杆头后方分离区的形成。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。设计出的PING G30球杆和其他新的G系列球杆,能帮助Bubba Watson等顶级专业球手增加多达10码的开球距离,同时也可让普通高尔夫玩家收获较小但意义非凡的进步。

Clubhead simulation
无扰流器(左)的杆头的CFD仿真。
Clubhead simulation
有扰流器的杆头CFD仿真说明了新设计延迟流体分离和减小阻力的原理。
Clubhead wake simulation
无扰流器仿真的侧面图
Clubhead wake simulation
有扰流器仿真的侧面图说明了有扰流器的尾迹较小。
CFD仿真

对高尔夫挥杆进行仿真

SIMULATING A GOLF SWING 

PING工程师的目标是,通过研究杆面的空气动力学减小阻力,同时不牺牲惯性矩和其他对于球杆性能非常重要的质量特性。他们首先将现有杆头设计的PTC Creo?计算机辅助设计(CAD)模型导入ANSYS Workbench,然后使用ANSYS Meshing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,因此,工程师围绕杆头添加了10个由六面体单元组成的膨胀层,从而准确地采集这些区域中的高速率梯度。在杆面外,每个膨胀层的厚度是相邻层的1.2倍。

杆头相对于空气流的速度和迎角在下杆的过程中不断变化,因此,PING的工程师研发出一系列具有不同速度和迎角的模型,来分别定义向下挥杆过程中球杆的每一段。

了解物理学原理

Golf Stick 

仿真可以从根本上解释气流流经之前的球杆模型时所发生的物理现象。仿真显示,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(PING称之为扰流器)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?就球杆的质量属性而言,小尺寸的脊状物只能产生轻微的影响。

PING的工程师对CFD模型进行了修改,以添加脊状物,当再次进行仿真时,他们观察到阻力明显减小。该团队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Creo CAD程序中创建,然后导出到ANSYS Workbench中。工程师对这些模型在许多不同速度下的情况进行仿真,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。

“PING的工程师对CFD模型进行了修改,以添加脊状物,当再次进行仿真时,他们观察到阻力明显减小。”

用物理测试来验证仿真

Bubba Watson 
 
Bubba Watson,一直稳居世界顶级的高尔夫球手之列,他利用通过CFD设计的球杆将开球距离增加了多达10码。

接下来是开展物理测试,以验证CFD结果。PING的工程师利用亚利桑那州立大学(Arizona State University)风洞设施,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9N下降到6.7N,减少了25%。击球时标准球杆所承受的下压力略大于1.5N,而装有扰流器的球杆会承受大约为0.5N的升力。

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,气流分离被显著延迟。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良好吻合。

另外,工程师还开展了球手测试,以比较有扰流器和无扰流器的球杆的杆头速度。该测试显示平均杆头速度增加了大约1mph(英里/小时),即从标准杆头的105mph增加到装有扰流器的杆头的106mph。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1.5mph。

为G30和G系列球杆增加扰流器,使其不仅具有市场上最高的惯性矩,还能实现高水平的空气动力学效率。当Bubba Watson首次对装有扰流器的G30球杆进行测试时,他的杆头速度提高了2mph,球速提高了4mph,从而导致飞行距离增加了大约10码。Watson指出:“这项技术帮助我不仅增加了开球距离,同时提高了 球道上的准确度。”G30球杆在市场上取得了巨大成功,在2015年首次投放市场时,就连续八个月夺得销售冠军。

PING公司获得了ANSYS渠道合作伙伴Phoenix Analysis & Design Technologies(PADT)的大力支持。


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