革命性3D湍流风模拟器使用激光雷达系统获取现实世界的真实数据

中国北京，2023年8月23日讯—— 在设计一座全新的大型建筑物前，人们往往会制作一个等比例模型，再放入风洞中进行测试。虽然这种方法被广泛认可也被使用了50年，但它的缺陷是低估了峰值负荷，因此设计者们会使用修正系数来提高安全界限。这种测试方法还有另外一个缺点，就是每次测试时风只能从一个方向来，而现实世界的阵风和大涡流风可以同时从很多不同的方向波动。丹麦公司Vind-vind正在开发一种新型湍流模型，用来获取自然条件下风对建筑物的影响。这种建模使用了真实世界的数据来提升测试的准确性，并通过10ns脉冲的激光雷达系统进行收集。空气中的粒子反射激光，使用Spectrum仪器的最新旗舰产品M5i.3321数字化仪卡就可以分析由多普勒效应导致的返回光的变化。

图1:风以非常复杂的方式与建筑相互作用。这张视频截图显示了33米高的风速,以及位于左上角的创新激光雷达系统

Vind-Vind首席执行官Per Jørgensen解释道:“目前，测量风运动有两种方法。一种是在数公里距离内进行低分辨率测量，另一种是在数百米的短距离内进行高分辨率测量。我们设计了一种基于激光雷达(LIDAR)的仪器，它能够在长距离范围内以高分辨率进行测量。在产品设计的过程中，Spectrum数字化仪卡发挥了关键性作用。它能够以每秒3.2 GigaSamples的采样率，以12位分辨率获取数据。实际上，这远远超出了我们的要求，但它为产品在应对“嘈杂”环境和弱信号等情况提供了更加可靠的保证。此外，额外的带宽还意味着我们能够立即识别并过滤高频噪声，在后期数据处理时再排除低频噪声。”

可以想象，追踪大量在风中移动的尘埃颗粒会产生大量的数据。Vind-Vind最初打算使用FPGA平台但果断放弃了，这主要是由于编程过于复杂，计算能力也不足以处理每秒产生的大量数据。最终，数据问题是通过Spectrum仪器的SCAPP驱动程序(Spectrum的CUDA访问并行处理)得以解决。在该解决方案中，具有16通道PCIe接口的M5i数采卡直接将收集到的数据以每秒最高12.8GB的速度发送到基于CUDA的显卡，而不是电脑端的CPU中。此次使用的Nvidia Quadro A4000显卡包括一个6144核的GPU，处理数据的速度远超只有6核或8核的电脑CPU。

Vind-Vind计算机建模的最初目标是评估湍流与城市环境中测量到的湍流有何差异。在此之后，湍流模型将得以改进，并包括来自不同方向的阵风的大气层更高部分的影响。真实世界中收集的准确数据可以用来验证3D计算机模拟的预测结果。Jorgensen补充道：“通过验证，我们的3D风力模型可以用来提供更高水平的安全性和舒适性，因为它能够预测现实世界的复杂性，而不受限于风洞测试的版本。最终，建筑师由于风洞模型的不准确性进行的过度规划将显著减少。这也意味着项目可持续性的提升，以及成本的降低。”

Vind-Vind公司设想其3D风模型在很多情况下将被证明是无价的，尤其是当风洞无法提供有用的结果时，这其中包括大气湍流与城市环境、风力涡轮机群、桥梁或机场的复杂风互动。

图2: M5i.3321-x16数字化仪卡在每两个通道上都可提供3.2 GS/s采样速度，12位分辨率和1 GHz带宽。M5i.33xx系列数字化仪有5种不同型号，最高速度为10 GS/s，最高带宽可达3GHz以上。

Vind-Vind是由两家姊妹公司组成。PJ Science ApS专注于生产和销售创新的激光雷达系统，而Vind-Vind ApS则是一家为建筑行业进行风力分析的咨询公司。