Революционное трехмерное моделирование турбулентности ветра с использованием реальных данных системы LIDAR.

Флагманская карта дигитайзера от Spectrum помогает оптимизировать новые небоскребы

Распространенный способ проектирования нового большого здания — создание масштабной модели и испытание ее в аэродинамической трубе. Это признанное испытание уже более 50 лет, но известно, что оно недооценивает пиковые нагрузки, поэтому для обеспечения запаса прочности применяются поправочные коэффициенты. Еще одним недостатком является то, что ветер дует одновременно с одного направления, тогда как в реальном мире порывы и большие водовороты могут меняться одновременно со многих разных направлений. Датская компания Vind-Vind разрабатывает новую модель турбулентности для отражения воздействия ветра на здание в естественных условиях. В этом моделировании для повышения точности используются реальные данные, собранные с помощью системы LIDAR с использованием импульсов длительностью 10 нс. Частицы в воздухе отражают лазер, а изменения отраженного света из-за эффекта Доплера анализируются с помощью новейшего флагманского продукта Spectrum Instrumentation — сверхбыстрой карты дигитайзера M5i.3321.

Посмотрите видео симуляции ветра (11 сек, 132 МБ):https://spectrum-instrumentation.com/videos/3D.mov

Рис. 1. Ветер очень сложным образом взаимодействует со зданиями. На этом скриншоте из видео показаны скорости ветра на высоте 33 м относительно инновационной лидарной системы, расположенной в верхнем левом углу.

Пер Йоргенсен, генеральный директор Vind-Vind, пояснил: «В настоящее время существует два способа измерения движения ветра: либо с низким разрешением на большом расстоянии в несколько километров, либо с высоким разрешением на небольшом расстоянии в несколько сотен метров. Мы создали новый прибор на основе лидара для измерения больших расстояний с высоким разрешением. Ключом к этому является способность карты дигитайзера Spectrum захватывать данные с очень высокой частотой дискретизации 3,2 гигавыборки в секунду с разрешением 12 бит. На самом деле это больше, чем нам нужно, но это дает нам возможность учесть «шумные» условия и слабые сигналы. Дополнительная полоса пропускания также означает, что мы можем немедленно идентифицировать и фильтровать высокочастотный шум, оставляя только низкочастотный шум, который нужно будет устранить позже при обработке данных».

Как можно себе представить, отслеживание огромного количества частиц пыли, движущихся на ветру, генерирует огромное количество данных. Первоначально компания Vind-Vind собиралась использовать платформу FPGA, но отвергла этот подход, поскольку он слишком сложен для программирования и не имеет достаточной вычислительной мощности для обработки большого объема данных, создаваемых каждую секунду. Проблема с данными была решена с помощью драйверов Spectrum SCAPP (доступ Spectrum CUDA для параллельной обработки). В этом решении дигитайзер M5i с 16-канальным интерфейсом PCIe отправляет собранные данные со скоростью до 12,8 гигабайт в секунду непосредственно на видеокарту на базе CUDA, а не на процессор ПК. Графическая карта, в данном случае Nvidia Quadro A4000, включая графический процессор с 6144 ядрами, обрабатывает данные намного быстрее, чем процессор ПК с 6 или 8 ядрами.

Первоначальная цель компьютерного моделирования компании Vind-Vind — оценить, насколько турбулентность соотносится с измеренной турбулентностью в городской среде. После этого моделирование турбулентности будет улучшено и будет включать в себя эффекты более высоких участков атмосферы с порывами ветра с разных направлений. Точные данные, собранные в реальном мире, затем могут быть использованы для проверки и подтверждения прогнозов компьютерного 3D-моделирования. «Наше трехмерное моделирование ветра с проверенной точностью может быть использовано для обеспечения более высокого уровня безопасности и ветрового комфорта, поскольку оно будет прогнозировать сложную природу реального мира, а не ограниченную версию аэродинамической трубы», — добавил Йоргенсен. «В конечном итоге это будет означать, что значительное превышение спецификации, которое архитекторам приходится встраивать из-за неточности моделей в аэродинамических трубах, может быть уменьшено. Это означает повышение устойчивости и экономию затрат за счет сокращения ненужного использования материалов».

Компания предполагает, что ее 3D-моделирование ветра окажется неоценимым во многих ситуациях, когда типичные аэродинамические трубы не могут дать полезных результатов, таких как сложное взаимодействие ветра и атмосферной турбулентности с городской средой, кластерами ветряных турбин, мостами или аэропортами.