Cú đánh bóng hoàn hảo

Bởi Erik Henrikson, Giám đốc kỹ thuật, PING Golf, Phoenix, USA

Việc thiết kế gậy chơi golf driver có nhiều thay đổi. Gậy driver thường được thiết kế với mặt gậy lớn và trọng tâm sâu sẽ có lực quán tính lớn và dễ tạo ra những cú đánh không tốt, trong khi loại gậy có kích thước và mặt nhỏ có thể giảm được lực cản giúp phát bóng nhanh và đưa bóng đi xa hơn. Tập đoàn PING đã sử dụng công cụ mô phỏng chất lưu của ANSYS để thiết kế những đặc điểm riêng biệt về khí động học trên thế hệ gậy driver mới làm giảm lực cản không khí, tăng diện tích bề mặt gậy và tạo trọng tâm sâu, tạo ra những cú phát bóng xa hơn trong khi vẫn giữ được độ ổn định của chúng.

Trong hơn 50 năm, tập đoàn PING đã thiết kế gậy golf giúp các tay golf từ nghiệp dư đến chuyên nghiệp đạt được tiềm năng của họ. Nhiều nhà vô địch golf sử dụng gậy do PING sản xuất vì chúng luôn được cải tiến và có những thiết kế chuyên nghiệp. Để giữ được đà sáng tạo đó, các kĩ sư phải sử dụng nhiều loại công cụ để đạt được mục đích thiết kế. Đội ngũ kĩ sư tại PING sử dụng phần mềm tính toán chất lưu ANSYS CFD để nâng cao khả năng tính toán khí động học.

Mặt gậy golf thường được thiết kế để đạt kích thước lớn nhất và trọng lượng được phân bổ ra ngoài trung tâm nhiều nhất có thể. Thiết kế như thế làm tăng lực quán tính của gậy. Nó là thước đo của lực cản gia tốc góc của gậy. Vì thế, khi gậy tiếp xúc vào bóng tại điểm cách xa trung tâm mặt gậy, nó sẽ kháng lại lực xoáy nhiều hơn so với gậy có quán tính nhỏ hơn. Mặt gậy lớn làm gia tăng hiệu quả cho điểm tiếp xúc bóng của gậy trong tất cả các hướng. Điều này làm cho vận động viên dễ dàng đánh bóng thẳng hơn.

Nhưng mặt gậy lớn và trọng lượng được phân bố tập trung thường tạo ra lực cản lớn vì sự chênh lệch áp suất trước và sau đầu gậy. Điều này xảy ra khi luồng khí dịch chuyển qua góc tù tạo ra vùng tuần hoàn hoặc tách biệt ở mặt sau của gậy. Dòng chảy này gây ra nhiều áp lực hơn tại mặt trước của đầu gậy hơn là áp lực được tạo ra từ vùng tách biệt phía sau gậy. Sự chênh lệch áp suất này tạo ra lực cản làm giảm tốc độ mà người chơi có thể truyền lực cho trái golf. Hậu quả là làm giảm tốc độ và khoảng cách của cú phát.

Mô phỏng CFD phần đầu gậy không có gân (bên trái) và có gân (bên phải) cho thấy thiết kế mới làm giảm việc tách dòng và giảm lực kéo.

Mô phỏng với gậy không có vây (bên trái) và có vây (bên phải) cho thấy đường tách không khí nhỏ hơn khi có vây

PING sử dụng phần mềm ANSYS CFD để tạo và tối ưu hóa thiết kế khí động lực của đầu gậy, kích thích luồng khí gần bề mặt và tạo lên một vùng chuyển đổi lớp biên rối loạn làm cản trở sự hình thành vùng tách biệt hướng về phía sau của đầu gậy. Việc này làm giảm kích thước của đuôi sóng rối loạn và dẫn đến việc tăng áp lực phía sau đầu gậy, làm cho lực cản không khí được giảm thiểu. Hiệu quả của PING G30 và các loại gậy driver dòng G khác cho phép những tay golf đẳng cấp như Bubba Watson phát bóng xa thêm đến 10 yards (khoảng 9,14 mét). Dù là khoảng cách nhỏ nhưng đó vẫn là một khác biệt đáng kể với những tay golf tầm trung.

Các kĩ sư PING bắt đầu nghiên cứu về khí động học mặt gậy để giảm thiểu lực cản mà không làm ảnh hưởng tới quán tính hay các tính chất về khối lượng khác. Nó cũng có ảnh hưởng lớn tới hiệu quả của những cú phát bóng. Họ bắt đầu bằng cách nhập bản vẽ thiết kế CAD của đầu gậy có sẵn vào ANSYS Workbench. Cùng với đó các kĩ sư cũng sử dụng ANSYS Meshing để tự động chia lưới lưới bao gồm hai phần tử lưới tứ diện và lục diện. Phần tử lưới lục diện cho độ chính xác cao hơn xung quanh lớp biên giữa đầu gậy và luồng khí. Các kĩ sư thêm vào xung quanh đầu gậy 10 lớp lưới biên bao gồm cả khối lục diện để ghi lại một cách chính xác biến thiên vận tốc trong những khu vực này. Lần lượt từ đầu gậy ra phía bên ngoài, mỗi lớp lưới biên có độ dày bằng 1,2 lần lớp liền kề trước đó.

Tốc độ, góc đánh của đầu gậy và sự tương tác với luồng không khí liên tục thay đổi trong suốt quá trình gậy chuyển động xuống, cho nên các kĩ sư đã tạo ra hàng loạt các mẫu với nhiều tốc độ và góc đánh khác nhau để chỉ ra từng phân đoạn của động tác vung gậy xuống.

Việc mô phỏng cung cấp những hiểu biết cơ bản về vật lý khi xuất luồng khí đi qua những mẫu gậy driver trước đây. Nó chỉ ra rằng những dòng khíriêng rẽ tại gờ trước của đầu gậy gây ra những đuôi sóng rối loạn lớn phía sau đầu gậy. Điều này giúp cho các kĩ sư nảy ra một ý tưởng: liệu việc thêm những gợn sóng (để biến dòng chảy tầng thành dòng chảy rối) lên trên bề mặt của đầu gậy có thể tạo ra sự hỗn loạn nhằm cản trở sự hình thành dòng chảy chia rẽ hướng về phần sau của đầu vợt, giảm kích cỡ của khu vực đuôi sóng hỗn loạn và lực cản không khí hay không? Một vây nhỏ chỉ tạo ra những thay đổi rất nhỏ về các đặc tính khối lượng của gậy.

Các kĩ sư PING thay đổi mô hình CFD để tạo thêm những gợn nhỏ và tiến hành mô phỏng lại. Họ nhận thấy một sự giảm thiểu đáng kể của lực cản. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành một chuỗi các mô phỏng với số lượng vây tạo xoáy khác nhau, mỗi vây có độ rộng khác nhau với sự liên quan tới đầu gậy. Mỗi mẫu được thiết kế trên phần mềm Creo CAD sau đó được đưa vào ANSYS Workbench. Các kĩ sư mô phỏng những mẫu này với nhiều tốc độ khác nhau để đánh giá xem mỗi mẫu thử nghiệm hoạt động ra sao đối với những người chơi có trình độ khác nhau. Họ tập trung vào một mẫu có vây tạo xoáy mà cho ra được độ cản trở dòng chảy tách biệt nhiều nhất và tạo lực cản nhỏ nhất có thể.

Bước tiếp theo là thực hiện kiểm tra cơ học để kiểm chứng kết quả CFD. Các kĩ sư PING sử dụng hầm thí nghiệm khí động học tại đại học Arizona để so sánh đầu gậy có hoặc không có vây tạo xoáy ở một vài góc và tốc độ đánh đã được mô phỏng trước đây. Khi gậy được đánh vuông góc với hướng gió, gậy cải tiến giảm được 25% lực cản từ 9N xuống còn 6,7N so với gậy không có vây nhỏ thêm vào. Khi gậy tiêu chuẩn chịu một lực hướng xuống khoảng hơn 1,5N tại điểm tác động thì gậy được cải tiến nhận một lực nâng khoảng 0,5N

Một luồng khói đã được sử dụng để mắt có thể nhìn được luồng khí trong hầm kiểm tra. Những hình ảnh thu nhận được cho thấy những tầng dòng chảy tách biệt đi qua đỉnh gờ trước của đầu gậy tiêu chuẩn. Ở gậy có vây tạo xoáy, dòng khí tách biệt đã được cản trở đáng kể. Việc giảm lực cản cũng như sự cản trở dòng chảy riêng rẽ trong kiểm tra vật lí rất tương đồng với kết quả từ việc mô phỏng luồng khí.

Việc kiểm tra nhờ người chơi cũng được thực hiện để so sánh tốc độ đầu gậy driver truyền thống và cải tiến. Qua kiểm tra cho thấy, tốc độ trung bình của đầu gậy tăng 1 mph từ 105 mph của đầu gậy tiêu chuẩn lên 106 mph với đầu gậy cải tiến. Tỉ lệ tốc độ bóng so với tốc độ đầu gậy rơi vào khoảng từ 1,3 đến 1,5 vì thế tốc độ bóng có thể tăng lên tới 1,5 mph

Ông Bubba Watson, luôn được xếp hạng là một trong những tay golf chuyên nghiệp hàng đầu thế giới, ông sử dụng gậy driver được thiết kế với CFD để đạt được thêm 10 yard.

Việc cải tiến gậy driver G30 và dòng G bằng phương pháp trên cho phép chúng kết hợp những gậy có quán tính lớn nhất trên thị trường với hiệu quả khí động lực cao. Khi Bubba Watson thử gậy G30 cải tiến lần đầu, anh tăng được 2 mph tốc độ đầu gậy và 4 mph tốc độ bóng. Kết quả là bóng được đưa đi xa hơn thêm 10 yards.Watson cho biết: “Công nghệ này đã giúp tôi có những cú phát nhanh và đưa bóng đi chính xác hơn”. Trong năm 2015, năm đầu tiên ra mắt, dòng gậy G30 đã rất thành công trên thị trường với việc dẫn đầu doanh số bán hàng trong 8 tháng liên tiếp.


Nguồn: ANSYS Advantage V10I2, 2016

Lược dịch: Phạm Xuân Thủy - Công tác viên tại Advantech, Jsc.

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

LIÊN HỆ

VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
Tầng 8, số 1 Đỗ Hành, Q.Hai Bà Trưng, Hà Nội
Tel: (84-24)36 649 066 Fax: (84-24)39 727 464
Email: info@advantech.vn

HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
Email: support@advantech.vn

Họ tên
E-Mail