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(jì)一座全新的大型建筑物前，人們往往會(huì)制作一個(gè)等比例模型，再放入風(fēng)洞中進(jìn)行測(cè)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(jì)者們會(huì)使用修正系數(shù)來(lái)提高安全界限。這種測(cè)試方法還有另外一個(gè)缺點(diǎn)，就是每次測(cè)試時(shí)風(fēng)只能從一個(gè)方向來(lái)，而現(xiàn)實(shí)世界的陣風(fēng)和大渦流風(fēng)可以同時(shí)從很多不同的方向波動(dòng)。丹麥公司Vind-vind正在開(kāi)發(fā)一種新型湍流模型，用來(lái)獲取自然條件下風(fēng)對(duì)建筑物的影響。這種建模使用了真實(shí)世界的數(shù)據(jù)來(lái)提升測(cè)試的準(zhǔn)確性，并通過(guò)10ns脈沖的激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行收集。空氣中的粒子反射激光，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(cè)量風(fēng)運(yùn)動(dòng)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(cè)量，另一種是在數(shù)百米的短距離內(nèi)進(jìn)行高分辨率測(cè)量。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于激光雷達(dá)（LIDAR）的儀器，它能夠在長(zhǎng)距離范圍內(nèi)以高分辨率進(jìn)行測(cè)量。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)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(duì)“嘈雜”環(huán)境和弱信號(hào)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(shí)別并過(guò)濾高頻噪聲，在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)再排除低頻噪聲。”

可以想象，追蹤大量在風(fēng)中移動(dòng)的塵埃顆粒會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。Vind-Vind最初打算使用FPGA平臺(tái)但果斷放棄了，這主要是由于編程過(guò)于復(fù)雜，計(jì)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(wèn)題是通過(guò)Spectrum儀器的SCAPP驅(qū)動(dòng)程序(Spectrum的CUDA訪問(wèn)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(gè)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(jì)算機(jī)建模的最初目標(biāo)是評(píng)估湍流與城市環(huán)境中測(cè)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(lái)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(lái)驗(yàn)證3D計(jì)算機(jī)模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果。Jorgensen補(bǔ)充道：“通過(guò)驗(yàn)證，我們的3D風(fēng)力模型可以用來(lái)提供更高水平的安全性和舒適性，因?yàn)樗軌蝾A(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜性，而不受限于風(fēng)洞測(cè)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(guò)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(wú)價(jià)的，尤其是當(dāng)風(fēng)洞無(wú)法提供有用的結(jié)果時(shí)，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(chǎng)的復(fù)雜風(fēng)互動(dòng)。

圖2 M5i.3321-x16數(shù)字化儀卡在每?jī)蓚€(gè)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(hào)，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(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.vindvind.com。

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年，迄今為止設(shè)計(jì)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(guò)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(guó)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。