Simulation révolutionnaire de la turbulence du vent en 3D avec des données réelles du système LIDAR

La carte numériseur phare de Spectrum aide à optimiser les nouveaux gratte-ciel

Une manière courante de concevoir un nouveau grand bâtiment consiste à réaliser un modèle réduit et à le tester dans une soufflerie. Il s'agit d'un test reconnu depuis plus de 50 ans, mais il est connu qu'il sous-estime les charges de pointe, c'est pourquoi des facteurs de correction sont appliqués pour fournir une marge de sécurité. Un autre inconvénient est que le vent ne vient que d'une seule direction à la fois, alors que dans le monde réel, les rafales et les grands tourbillons peuvent fluctuer dans plusieurs directions différentes à la fois. Une entreprise danoise, Vind-Vind, développe un nouveau modèle de turbulence pour capturer les effets du vent sur un bâtiment dans des conditions naturelles. Cette modélisation utilise des données du monde réel pour améliorer sa précision, recueillies avec un système LIDAR utilisant des impulsions de 10 ns. Les particules dans l'air reflètent le laser, les changements de lumière renvoyée dus à l'effet Doppler sont analysés à l'aide du dernier produit phare de Spectrum Instrumentation, la carte numériseur ultrarapide M5i.3321.

Regardez la vidéo de simulation de vent (11 sec, 132 Mo) :https://spectrum-instrumentation.com/videos/3D.mov

Fig. 1 : Le vent interagit avec les bâtiments de manière très complexe. Cette capture d'écran de la vidéo montre les vitesses du vent à 33 m de hauteur par rapport au système innovant Lidar situé dans le coin supérieur gauche.

Per Jørgensen, PDG de Vind-Vind, a expliqué : « À l'heure actuelle, il existe deux manières de mesurer le mouvement du vent : soit à faible résolution sur une longue distance de plusieurs kilomètres, soit à haute résolution sur une courte distance de quelques centaines de mètres. Nous avons créé un nouvel instrument basé sur LIDAR pour mesurer de longues distances à haute résolution. La clé de ceci est la capacité de la carte numériseur Spectrum à capturer les données à son taux d'échantillonnage très élevé de 3,2 GigaSamples par seconde avec une résolution de 12 bits. C'est en fait plus que ce dont nous avons besoin, mais cela nous donne la marge nécessaire pour tenir compte des conditions « bruyantes » et des signaux faibles. La bande passante supplémentaire signifie également que nous pouvons immédiatement identifier et filtrer le bruit haute fréquence, ne laissant que le bruit basse fréquence à éliminer plus tard lors du traitement des données.

Comme on peut l’imaginer, le suivi d’un grand nombre de particules de poussière se déplaçant dans le vent génère une énorme quantité de données. Vind-Vind envisageait initialement d'utiliser une plate-forme FPGA, mais a rejeté cette approche car elle était trop complexe à programmer et ne disposait pas de suffisamment de puissance de calcul pour gérer la grande quantité de données créées chaque seconde. Le problème des données a été résolu en utilisant les pilotes SCAPP de Spectrum (accès CUDA de Spectrum pour le traitement parallèle). Dans cette solution, le numériseur M5i avec son interface PCIe à 16 voies envoie les données collectées jusqu'à 12,8 gigaoctets par seconde directement à une carte graphique basée sur CUDA au lieu du processeur du PC. La carte graphique, en l'occurrence une Nvidia Quadro A4000 incluant un GPU à 6 144 cœurs, traite les données beaucoup plus rapidement que le CPU du PC avec seulement 6 ou 8 cœurs.

L'objectif initial de Vind-Vind pour sa modélisation informatique est d'évaluer la manière dont la turbulence se compare à la turbulence mesurée dans un environnement urbain. Après cela, la modélisation de la turbulence sera améliorée pour inclure les effets d'une partie plus élevée de l'atmosphère avec des rafales de vent provenant de différentes directions. Des données précises recueillies dans le monde réel peuvent ensuite être utilisées pour vérifier et valider les prédictions de la simulation informatique 3D. "Avec une précision éprouvée, notre modélisation du vent 3D peut être utilisée pour offrir des niveaux plus élevés de sécurité et de confort du vent, car elle prédit la nature complexe du monde réel, et non la version contrainte de la soufflerie", a ajouté Jorgensen. « À terme, cela signifiera que les spécifications excessives considérables que les architectes doivent intégrer en raison de l'imprécision des modèles de soufflerie pourront être réduites. Cela signifie améliorer la durabilité et réduire les coûts en réduisant l’utilisation inutile de matériaux.

L'entreprise estime que sa modélisation 3D du vent s'avérera inestimable dans les nombreuses situations dans lesquelles les souffleries classiques ne peuvent pas fournir de résultats utiles, telles que les interactions complexes du vent entre les turbulences atmosphériques et les environnements urbains, les groupes d'éoliennes, les ponts ou les aéroports.