革命性3D湍流風(fēng)模擬器使用激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)數(shù)據(jù)

Spectrum儀器數(shù)字化儀旗艦產(chǎn)品助力優(yōu)化全新摩天大樓

在設(shè)計一座全新的大型建筑物前，人們往往會制作一個等比例模型，再放入風(fēng)洞中進(jìn)行測試。雖然這種方法被廣泛認(rèn)可也被使用了50年，但它的缺陷是低估了峰值負(fù)荷，因此設(shè)計者們會使用修正系數(shù)來提高安全界限。這種測試方法還有另外一個缺點(diǎn)，就是每次測試時風(fēng)只能從一個方向來，而現(xiàn)實(shí)世界的陣風(fēng)和大渦流風(fēng)可以同時從很多不同的方向波動。丹麥公司Vind-vind正在開發(fā)一種新型湍流模型，用來獲取自然條件下風(fēng)對建筑物的影響。這種建模使用了真實(shí)世界的數(shù)據(jù)來提升測試的準(zhǔn)確性，并通過10ns脈沖的激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行收集?？諝庵械牧Ｗ臃瓷浼す?，使用Spectrum儀器的最新旗艦產(chǎn)品M5i.3321數(shù)字化儀卡就可以分析由多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的返回光的變化。

圖1 風(fēng)以非常復(fù)雜的方式與建筑相互作用。這張視頻截圖顯示了33米高的風(fēng)速,以及位于左上角的創(chuàng)新激光雷達(dá)系統(tǒng)

Vind-Vind首席執(zhí)行官Per J?rgensen解釋道:“目前，測量風(fēng)運(yùn)動有兩種方法。一種是在數(shù)公里距離內(nèi)進(jìn)行低分辨率測量，另一種是在數(shù)百米的短距離內(nèi)進(jìn)行高分辨率測量。我們設(shè)計了一種基于激光雷達(dá)（LIDAR）的儀器，它能夠在長距離范圍內(nèi)以高分辨率進(jìn)行測量。在產(chǎn)品設(shè)計的過程中，Spectrum數(shù)字化儀卡發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。它能夠以每秒3.2 GigaSamples的采樣率，以12位分辨率獲取數(shù)據(jù)。實(shí)際上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的要求，但它為產(chǎn)品在應(yīng)對“嘈雜”環(huán)境和弱信號等情況提供了更加可靠的保證。此外，額外的帶寬還意味著我們能夠立即識別并過濾高頻噪聲，在后期數(shù)據(jù)處理時再排除低頻噪聲?！?/p>

可以想象，追蹤大量在風(fēng)中移動的塵埃顆粒會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。Vind-Vind最初打算使用FPGA平臺但果斷放棄了，這主要是由于編程過于復(fù)雜，計算能力也不足以處理每秒產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。最終，數(shù)據(jù)問題是通過Spectrum儀器的SCAPP驅(qū)動程序(Spectrum的CUDA訪問并行處理)得以解決。在該解決方案中，具有16通道PCIe接口的M5i數(shù)采卡直接將收集到的數(shù)據(jù)以每秒最高12.8GB的速度發(fā)送到基于CUDA的顯卡，而不是電腦端的CPU中。此次使用的Nvidia Quadro A4000顯卡包括一個6144核的GPU，處理數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)超只有6核或8核的電腦CPU。

Vind-Vind計算機(jī)建模的最初目標(biāo)是評估湍流與城市環(huán)境中測量到的湍流有何差異。在此之后，湍流模型將得以改進(jìn)，并包括來自不同方向的陣風(fēng)的大氣層更高部分的影響。真實(shí)世界中收集的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)可以用來驗(yàn)證3D計算機(jī)模擬的預(yù)測結(jié)果。Jorgensen補(bǔ)充道：“通過驗(yàn)證，我們的3D風(fēng)力模型可以用來提供更高水平的安全性和舒適性，因?yàn)樗軌蝾A(yù)測現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜性，而不受限于風(fēng)洞測試的版本。最終，建筑師由于風(fēng)洞模型的不準(zhǔn)確性進(jìn)行的過度規(guī)劃將顯著減少。這也意味著項(xiàng)目可持續(xù)性的提升，以及成本的降低?！?/p>

Vind-Vind公司設(shè)想其3D風(fēng)模型在很多情況下將被證明是無價的，尤其是當(dāng)風(fēng)洞無法提供有用的結(jié)果時，這其中包括大氣湍流與城市環(huán)境、風(fēng)力渦輪機(jī)群、橋梁或機(jī)場的復(fù)雜風(fēng)互動。

圖2 M5i.3321-x16數(shù)字化儀卡在每兩個通道上都可提供3.2 GS/s采樣速度，12位分辨率和1 GHz帶寬。M5i.33xx系列數(shù)字化儀有5種不同型號，最高速度為10 GS/s，最高帶寬可達(dá)3GHz以上

Vind-Vind是由兩家姊妹公司組成。PJ Science ApS專注于生產(chǎn)和銷售創(chuàng)新的激光雷達(dá)系統(tǒng)，而Vind-Vind ApS則是一家為建筑行業(yè)進(jìn)行風(fēng)力分析的咨詢公司。更多信息請訪問www.vindvind.com。

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年，迄今為止設(shè)計和研發(fā)了多款模塊化數(shù)字化儀及發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨(dú)立以太網(wǎng)設(shè)備（LXI）。在過去30年間，Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，旗下產(chǎn)品也被用于行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)及一流大學(xué)的眾多產(chǎn)品和科研項(xiàng)目中。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近的格羅斯?jié)h斯多爾夫，憑借卓越的技術(shù)能力和優(yōu)質(zhì)的客戶服務(wù)享譽(yù)全球。