Windturbulenzen im Griff
3D-Simulation revolutioniert die Architekturplanung
Das dänische Unternehmen Vind-Vind revolutioniert den Entwurf großer Gebäude durch eine bahnbrechende, auf realen Lidar-Daten basierende 3D-Simulation von Windturbulenzen. Herzstück des Systems ist ein ultraschneller Digitizer von Spectrum Instrumentation.
Beim Entwurf eines großen Gebäudes ist es üblich, ein maßstabsgetreues Modell im Windkanal zu testen. Dabei gibt es zwei entscheidende Nachteile: Zum einen sind die Spitzenlasten bei einem solchen Test zu niedrig, so dass Sicherheitsreserven eingeplant werden müssen. Zum anderen kommt der Wind immer nur aus einer Richtung, während in der Realität viele Böen und große Verwirbelungen aus verschiedenen Richtungen auf das Gebäude einwirken.
Hier setzt das dänische Unternehmen Vind-Vind an. Es hat eine 3D-Simulation entwickelt, um die Auswirkungen des Windes auf ein Gebäude absolut realitätsnah zu erfassen.
Diese Simulation nutzt...
...zur Verbesserung der Genauigkeit reale Daten, die mit einem innovativen LIDAR-System unter Verwendung von 10-ns-Impulsen erfasst werden. Partikel in der Luft reflektieren den Laser, und das zurückgestrahlte Licht weist durch den Doppler-Effekt verursachte Veränderungen auf. Diese werden mit einer ultraschnellen Digitizerkarte von Spectrum Instrumentation, dem Modell M5i.3321-x16, präzise erfasst und analysiert.
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Per Jørgensen, CEO von Vind-Vind, erklärt: »Derzeit gibt es zwei Möglichkeiten, Windbewegungen zu messen - entweder mit einer niedrigen Auflösung über eine große Distanz von mehreren Kilometern oder mit einer hohen Auflösung über eine kurze Entfernung von einigen hundert Metern. Wir haben ein neues LIDAR-basiertes Instrument entwickelt, um große Entfernungen mit hoher Auflösung messen zu können. Der Schlüssel dazu ist die Digitizerkarte von Spectrum, weil sie die Messdaten mit einer sehr hohen Abtastrate von 3,2 GigaSamples pro Sekunde und 12 Bit Auflösung erfassen kann. Das ist sogar mehr, als wir brauchen, aber es gibt uns den Spielraum, „verrauschte“ Bedingungen und schwache Signale zu berücksichtigen. Die hohe Bandbreite bedeutet auch, dass wir hochfrequentes Rauschen sofort erkennen und herausfiltern können, so dass nur noch niederfrequentes Rauschen übrig bleibt, welches wir später bei der Datenverarbeitung eliminieren.«
Die Verfolgung einer riesigen Anzahl von Staubpartikeln,...
...die sich im Wind bewegen, erzeugt gigantische Datenmengen. Vind-Vind wollte ursprünglich eine FPGA-Plattform verwenden, aber dieser Ansatz hätte eine zu komplexe Programmierung benötigt und über zu wenig Rechenleistung verfügt, um die Datenflut zu bewältigen. Das Datenproblem wurde durch den Einsatz der SCAPP-Treiber (Spectrum’s CUDA Access for Parallel Processing) gelöst. Dabei schickt der M5i-Digitizer mit seiner 16-Lane-PCIe-Schnittstelle die erfassten Daten mit erstaunlichen 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.
Vind-Vind nutzt sowohl die gemessenen Turbulenzen...
...über städtischen Umgebungen als auch Messungen aus der höheren Atmosphäre, um die 3D-Simulation zu perfektionieren. »Letztlich wird es dazu führen, dass die erheblichen Überspezifikationen, die Architekten aufgrund der ungenauen Windkanaltests einplanen, stark reduziert werden können. Das bedeutet weniger Baumaterial, weniger Kosten und höhere Nachhaltigkeit«, sagt Per Jørgensen.
Das Unternehmen geht davon aus,...
...dass sich die neue 3D-Windsimulation gegenüber klassischen Windkanal-Tests durchsetzen wird, besonders bei komplexen Turbulenzen über größeren Arealen wie städtischen Umgebungen, Ansammlungen von Windkraftanlagen, Industriegebieten, Brücken oder Flughäfen.
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