Revolutionäre 3D-Windturbulenzsimulation mit realen Daten aus dem LIDAR-System

Die Flaggschiff-Digitalisierungskarte von Spectrum hilft bei der Optimierung neuer Wolkenkratzer

Eine übliche Methode zum Entwurf eines neuen großen Gebäudes besteht darin, ein maßstabsgetreues Modell anzufertigen und es in einem Windkanal zu testen. Dies ist seit über 50 Jahren ein anerkannter Test, aber es ist bekannt, dass er die Spitzenlasten unterschätzt, weshalb Korrekturfaktoren angewendet werden, um einen Sicherheitsspielraum zu schaffen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Wind jeweils nur aus einer Richtung kommt, während in der realen Welt Böen und große Wirbel aus vielen verschiedenen Richtungen gleichzeitig schwanken können. Ein dänisches Unternehmen, Vind-Vind, entwickelt ein neues Turbulenzmodell, um die Auswirkungen des Windes auf ein Gebäude unter natürlichen Bedingungen zu erfassen. Diese Modellierung nutzt zur Verbesserung der Genauigkeit reale Daten, die mit einem LIDAR-System unter Verwendung von 10-ns-Impulsen erfasst werden. Partikel in der Luft reflektieren den Laser, die durch den Doppler-Effekt verursachten Veränderungen des zurückgestrahlten Lichts werden mit dem neuesten Flaggschiffprodukt von Spectrum Instrumentation, der ultraschnellen Digitalisierkarte M5i.3321, analysiert.

Sehen Sie sich das Video zur Windsimulation an (11 Sek., 132 MB):https://spectrum-instrumentation.com/videos/3D.mov

Abb. 1: Wind interagiert auf sehr komplexe Weise mit Gebäuden. Dieser Screenshot aus dem Video zeigt Windgeschwindigkeiten in 33 m Höhe relativ zum innovativen Lidar-System in der oberen linken Ecke

Per Jørgensen, CEO von Vind-Vind, erklärte: „Derzeit gibt es zwei Möglichkeiten, Windbewegungen zu messen: entweder eine niedrige Auflösung über eine große Entfernung von mehreren Kilometern oder eine hohe Auflösung über eine kurze Entfernung von einigen hundert Metern.“ Wir haben ein neues LIDAR-basiertes Instrument entwickelt, um große Entfernungen mit hoher Auflösung zu messen. Der Schlüssel dazu ist die Fähigkeit der Spectrum-Digitalisierkarte, die Daten mit ihrer sehr hohen Abtastrate von 3,2 GigaSamples pro Sekunde und 12-Bit-Auflösung zu erfassen. Das ist tatsächlich mehr, als wir brauchen, aber es gibt uns den Spielraum, „verrauschte“ Bedingungen und schwache Signale zu berücksichtigen. Die zusätzliche Bandbreite bedeutet auch, dass wir hochfrequentes Rauschen sofort erkennen und herausfiltern können, sodass nur noch niederfrequentes Rauschen übrig bleibt, das später bei der Datenverarbeitung eliminiert werden muss.“

Wie man sich vorstellen kann, erzeugt die Verfolgung einer großen Anzahl von Staubpartikeln, die sich im Wind bewegen, riesige Datenmengen. Vind-Vind wollte ursprünglich eine FPGA-Plattform verwenden, lehnte diesen Ansatz jedoch ab, da er zu komplex zum Programmieren sei und nicht über genügend Rechenleistung verfüge, um die großen Datenmengen zu bewältigen, die jede Sekunde erzeugt würden. Das Datenproblem wurde durch die Verwendung der SCAPP-Treiber von Spectrum (Spectrums CUDA-Zugriff für Parallelverarbeitung) gelöst. Bei dieser Lösung sendet der M5i-Digitalisierer mit seiner 16-Lane-PCIe-Schnittstelle die gesammelten Daten mit bis zu 12,8 GigaByte pro Sekunde direkt an eine CUDA-basierte Grafikkarte statt an die PC-CPU. Die Grafikkarte, in diesem Fall eine Nvidia Quadro A4000 inklusive GPU mit 6.144 Kernen, verarbeitet die Daten deutlich schneller als die CPU des PCs mit nur 6 oder 8 Kernen.

Das ursprüngliche Ziel von Vind-Vind bei der Computermodellierung besteht darin, zu beurteilen, wie sich die Turbulenzen mit den gemessenen Turbulenzen über einer städtischen Umgebung vergleichen lassen. Danach wird die Turbulenzmodellierung verbessert, um die Auswirkungen eines höheren Teils der Atmosphäre mit Windböen aus verschiedenen Richtungen einzubeziehen. Genaue, in der realen Welt gesammelte Daten können dann verwendet werden, um die Vorhersagen der 3D-Computersimulation zu verifizieren und zu validieren. „Mit nachgewiesener Genauigkeit kann unsere 3D-Windmodellierung verwendet werden, um ein höheres Maß an Sicherheit und Windkomfort zu bieten, da sie die komplexe Natur der realen Welt vorhersagt und nicht die eingeschränkte Version des Windkanals“, fügte Jorgensen hinzu. „Letztlich wird es dazu führen, dass die erhebliche Überspezifikation, die Architekten aufgrund der Ungenauigkeit von Windkanalmodellen einbauen müssen, reduziert werden kann. Das bedeutet, die Nachhaltigkeit zu verbessern und Kosten zu sparen, indem unnötiger Materialeinsatz reduziert wird.“

Das Unternehmen geht davon aus, dass seine 3D-Windmodellierung für viele Situationen von unschätzbarem Wert sein wird, in denen typische Windkanäle keine brauchbaren Ergebnisse liefern können, beispielsweise bei komplexen Windwechselwirkungen atmosphärischer Turbulenzen mit städtischen Umgebungen, Ansammlungen von Windkraftanlagen, Brücken oder Flughäfen.

Abb. 2: Die Digitalisierungskarte M5i.3321-x16 bietet eine Abtastgeschwindigkeit von 3,2 GS/s, eine Auflösung von 12 Bit und eine Bandbreite von 1 GHz auf jedem der beiden Kanäle. Die M5i.33xx-Familie umfasst 5 verschiedene Modelle mit 10 GS/s Höchstgeschwindigkeit und über 3 GHz als höchste Bandbreite.

Vind-Vind besteht aus zwei Schwesterunternehmen: PJ Science ApS konzentriert sich auf die Produktion und den Verkauf der innovativen LIDAR-Systeme und Vind-Vind ApS ist das Beratungsunternehmen, das Windanalysen für die Bauindustrie durchführt. Mehr Info:

www.vindvind.com

Über Spectrum Instrumentation

Spectrum Instrumentation wurde 1989 gegründet und nutzt ein einzigartiges modulares Konzept, um eine breite Palette von mehr als 200 Digitalisierern und Generatorprodukten wie PC-Karten (PCIe und PXIe) und eigenständigen Ethernet-Einheiten (LXI) zu entwickeln und zu produzieren. In über 30 Jahren hat Spectrum Kunden auf der ganzen Welt gewonnen, darunter viele Branchenführer der A-Marken und praktisch alle renommierten Universitäten. Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in der Nähe von Hamburg und ist bekannt für seine 5-Jahres-Garantie und den hervorragenden Support, der direkt von den Konstrukteuren geleistet wird. Weitere Informationen zu Spectrum finden Sie unter www.spectrum-instrumentation.com

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