Simulação revolucionária de turbulência eólica em 3D com dados do mundo real do sistema LIDAR

O principal cartão digitalizador da Spectrum ajuda a otimizar novos arranha-céus

Uma maneira comum de projetar um novo grande edifício é fazer um modelo em escala e testá-lo em um túnel de vento. Este é um teste reconhecido há mais de 50 anos, mas sabe-se que subestima os picos de carga, pelo que são aplicados factores de correcção para proporcionar uma margem de segurança. Outra desvantagem é que o vento vem apenas de uma direção de cada vez, enquanto no mundo real as rajadas e os grandes redemoinhos podem flutuar em muitas direções diferentes ao mesmo tempo. Uma empresa dinamarquesa, Vind-Vind, está a desenvolver um novo modelo de turbulência para captar os efeitos do vento num edifício em condições naturais. Esta modelagem utiliza dados do mundo real para aumentar sua precisão, coletados com um sistema LIDAR usando pulsos de 10 ns. Partículas no ar refletem o laser, as mudanças na luz retornada devido ao efeito Doppler são analisadas usando o mais recente produto carro-chefe da Spectrum Instrumentation, a placa digitalizadora ultrarrápida M5i.3321.

Assista ao vídeo de simulação de vento (11 segundos, 132 MB):https://spectrum-instrumentation.com/videos/3D.mov

Fig. 1: O vento interage com os edifícios de formas muito complexas. Esta captura de tela do vídeo mostra as velocidades do vento a 33 m de altura em relação ao inovador sistema Lidar localizado no canto superior esquerdo

Per Jørgensen, CEO da Vind-Vind, explicou: “Atualmente, existem duas maneiras de medir o movimento do vento, seja em baixa resolução a uma longa distância de vários quilômetros ou em alta resolução em uma curta distância de algumas centenas de metros. Criamos um novo instrumento baseado em LIDAR para medir longas distâncias em alta resolução. A chave para isso é a capacidade da placa digitalizadora Spectrum de capturar os dados em sua taxa de amostragem muito alta de 3,2 GigaSamples por segundo com resolução de 12 bits. Na verdade, isto é mais do que precisamos, mas dá-nos a margem para permitir condições “ruidosas” e sinais fracos. A largura de banda extra também significa que podemos identificar e filtrar imediatamente o ruído de alta frequência, deixando apenas o ruído de baixa frequência para ser eliminado posteriormente, durante o processamento dos dados.”

Como pode ser imaginado, acompanhar um grande número de partículas de poeira movendo-se com o vento gera uma enorme quantidade de dados. Vind-Vind inicialmente iria usar uma plataforma FPGA, mas rejeitou essa abordagem por ser muito complexa para programar e não ter poder de computação suficiente para lidar com a grande quantidade de dados sendo criados a cada segundo. O problema de dados foi resolvido usando drivers SCAPP do Spectrum (acesso CUDA do Spectrum para processamento paralelo). Nesta solução, o digitalizador M5i com sua interface PCIe de 16 vias envia os dados coletados com até 12,8 GigaByte por segundo diretamente para uma placa gráfica baseada em CUDA em vez da CPU do PC. A placa gráfica, neste caso uma Nvidia Quadro A4000 incluindo uma GPU com 6.144 núcleos, processa os dados muito mais rápido que a CPU do PC com apenas 6 ou 8 núcleos.

O objetivo inicial do Vind-Vind para sua modelagem computacional é avaliar como a turbulência se compara à turbulência medida em um ambiente urbano. Depois disso, a modelagem da turbulência será aprimorada para incluir os efeitos de uma seção mais elevada da atmosfera com rajadas de vento de diferentes direções. Dados precisos coletados no mundo real podem então ser usados ​​para verificar e validar as previsões da simulação computacional 3D. “Com precisão comprovada, nossa modelagem 3D do vento pode ser usada para fornecer maiores níveis de segurança e conforto do vento, pois irá prever a natureza complexa do mundo real, e não a versão restrita do túnel de vento”, acrescentou Jorgensen. “Eventualmente, isso significará que o considerável excesso de especificações que os arquitetos têm de incorporar devido à imprecisão dos modelos de túnel de vento poderá ser reduzido. Isto significa melhorar a sustentabilidade e poupar custos, reduzindo o uso desnecessário de materiais.”

A empresa prevê que a sua modelação eólica 3D será inestimável para as muitas situações em que os túneis de vento típicos não podem fornecer resultados úteis, tais como as complexas interacções do vento da turbulência atmosférica com ambientes urbanos, aglomerados de turbinas eólicas, pontes ou aeroportos.