Revolucionaria simulación de turbulencia del viento en 3D con datos del mundo real del sistema LIDAR

La emblemática tarjeta digitalizadora de Spectrum ayuda a optimizar los nuevos rascacielos

Una forma común de diseñar un nuevo edificio grande es hacer un modelo a escala y probarlo en un túnel de viento. Esta ha sido una prueba reconocida durante más de 50 años, pero se sabe que subestima las cargas máximas, por lo que se aplican factores de corrección para proporcionar un margen de seguridad. Otro inconveniente es que el viento sólo viene de una dirección a la vez, mientras que en el mundo real, las ráfagas y los grandes remolinos pueden fluctuar desde muchas direcciones diferentes a la vez. La empresa danesa Vind-Vind está desarrollando un nuevo modelo de turbulencia para captar los efectos del viento sobre un edificio en condiciones naturales. Este modelado utiliza datos del mundo real para mejorar su precisión, recopilados con un sistema LIDAR que utiliza pulsos de 10 ns. Las partículas en el aire reflejan el láser, los cambios en la luz devuelta debido al efecto Doppler se analizan utilizando el último producto estrella de Spectrum Instrumentation, la tarjeta digitalizadora ultrarrápida M5i.3321.

Mire el vídeo de simulación de viento (11 segundos, 132 MB):https://spectrum-instrumentation.com/videos/3D.mov

Fig. 1: El viento interactúa con los edificios de formas muy complejas. Esta captura de pantalla del vídeo muestra las velocidades del viento a 33 m de altura en relación con el innovador sistema Lidar ubicado en la esquina superior izquierda.

Per Jørgensen, director ejecutivo de Vind-Vind, explicó: “En la actualidad, existen dos formas de medir el movimiento del viento: baja resolución a una distancia de varios kilómetros o alta resolución a una distancia corta de unos pocos cientos de metros. Creamos un nuevo instrumento basado en LIDAR para medir largas distancias con alta resolución. La clave para esto es la capacidad de la tarjeta digitalizadora Spectrum para capturar los datos a su muy alta velocidad de muestreo de 3,2 GigaMuestras por segundo con una resolución de 12 bits. En realidad, esto es más de lo que necesitamos, pero nos da el margen para permitir condiciones "ruidosas" y señales débiles. El ancho de banda adicional también significa que podemos identificar y filtrar inmediatamente el ruido de alta frecuencia, dejando solo el ruido de baja frecuencia para eliminarlo más adelante al procesar los datos”.

Como se puede imaginar, hacer un seguimiento de una gran cantidad de partículas de polvo que se mueven con el viento genera una enorme cantidad de datos. Inicialmente, Vind-Vind iba a utilizar una plataforma FPGA, pero rechazó este enfoque por ser demasiado complejo de programar y no tener suficiente potencia de cálculo para manejar la gran cantidad de datos que se crean cada segundo. El problema de los datos se resolvió utilizando los controladores SCAPP de Spectrum (acceso CUDA de Spectrum para procesamiento paralelo). En esta solución, el digitalizador M5i con su interfaz PCIe de 16 carriles envía los datos recopilados con hasta 12,8 GigaBytes por segundo directamente a una tarjeta gráfica basada en CUDA en lugar de a la CPU del PC. La tarjeta gráfica, en este caso una Nvidia Quadro A4000 que incluye una GPU con 6.144 núcleos, procesa los datos mucho más rápido que la CPU del PC con sólo 6 u 8 núcleos.

El objetivo inicial de Vind-Vind para su modelado por computadora es evaluar cómo se compara la turbulencia con la turbulencia medida sobre un entorno urbano. Después de eso, se mejorará el modelado de turbulencias para incluir los efectos de una sección más alta de la atmósfera con ráfagas de viento de diferentes direcciones. Los datos precisos recopilados en el mundo real se pueden utilizar para verificar y validar las predicciones de la simulación por computadora 3D. "Con una precisión comprobada, nuestro modelado de viento 3D se puede utilizar para proporcionar mayores niveles de seguridad y comodidad del viento, ya que predecirá la naturaleza compleja del mundo real, y no la versión restringida del túnel de viento", añadió Jorgensen. “Con el tiempo, esto significará que se podrá reducir el considerable exceso de especificaciones que los arquitectos tienen que construir debido a la inexactitud de los modelos de túneles de viento. Esto significa mejorar la sostenibilidad y ahorrar costes reduciendo el uso innecesario de materiales”.

La empresa prevé que su modelado de viento en 3D resultará invaluable para muchas situaciones en las que los túneles de viento típicos no pueden proporcionar resultados útiles, como las complejas interacciones del viento de la turbulencia atmosférica con entornos urbanos, grupos de turbinas eólicas, puentes o aeropuertos.

Fig. 2: La tarjeta digitalizadora M5i.3321-x16 ofrece una velocidad de muestreo de 3,2 GS/s, una resolución de 12 bits y un ancho de banda de 1 GHz en cada uno de los dos canales. La familia M5i.33xx tiene 5 modelos diferentes con una velocidad máxima de 10 GS/s y más de 3 GHz como ancho de banda máximo.

Vind-Vind está formada por dos empresas hermanas: PJ Science ApS se centra en la producción y venta de sistemas LIDAR innovadores, y Vind-Vind ApS es la empresa consultora que realiza análisis del viento para la industria de la construcción. Más información:

www.vindvind.com

Acerca de la instrumentación del espectro

Spectrum Instrumentation, fundada en 1989, utiliza un concepto modular único para diseñar y producir una amplia gama de más de 200 digitalizadores y productos generadores como tarjetas PC (PCIe y PXIe) y unidades Ethernet independientes (LXI). En más de 30 años, Spectrum ha ganado clientes en todo el mundo, incluidos muchos líderes industriales de marcas A y prácticamente todas las universidades prestigiosas. La empresa tiene su sede cerca de Hamburgo, Alemania, y es conocida por su garantía de 5 años y su excelente soporte que proviene directamente de los ingenieros de diseño. Puede encontrar más información sobre Spectrum en www.spectrum-instrumentation.com

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