LIDAR 시스템의 실제 데이터를 사용한 혁신적인 3D 난류 시뮬레이션

Spectrum의 플래그십 디지타이저 카드는 새로운 고층 건물을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

새로운 대형 건물을 설계하는 일반적인 방법은 축소 모델을 만들어 풍동에서 테스트하는 것입니다. 이는 50년 넘게 인정받은 테스트였지만 최대 부하를 과소평가하는 것으로 알려져 있으므로 안전 여유를 제공하기 위해 보정 계수가 적용됩니다. 또 다른 단점은 바람이 한 번에 한 방향에서만 발생하는 반면, 현실 세계에서는 돌풍과 큰 소용돌이가 동시에 여러 방향에서 변동할 수 있다는 것입니다. 덴마크 회사인 Vind-Vind는 자연 조건에서 건물에 바람이 미치는 영향을 포착하기 위해 새로운 난류 모델을 개발하고 있습니다. 이 모델링은 정확도를 높이기 위해 10ns 펄스를 사용하는 LIDAR 시스템으로 수집된 실제 데이터를 사용합니다. 공기 중의 입자가 레이저를 반사하고, 도플러 효과로 인해 반사되는 빛의 변화를 Spectrum Instrumentation의 최신 주력 제품인 초고속 M5i.3321 디지타이저 카드를 사용하여 분석합니다.

바람 시뮬레이션 비디오 보기(11초, 132MB):https://spectrum-instrumentation.com/videos/3D.mov

그림 1: 바람은 매우 복잡한 방식으로 건물과 상호 작용합니다. 비디오의 이 스크린샷은 왼쪽 상단에 위치한 혁신적인 Lidar 시스템을 기준으로 33m 높이의 풍속을 보여줍니다.

Vind-Vind의 CEO인 Per Jørgensen은 다음과 같이 설명했습니다. “현재 바람의 움직임을 측정하는 방법에는 수 킬로미터의 장거리에서의 저해상도와 수백 미터의 단거리에서의 고해상도의 두 가지가 있습니다. 우리는 고해상도로 장거리를 측정할 수 있는 새로운 LIDAR 기반 장비를 만들었습니다. 이것의 핵심은 12비트 해상도로 초당 3.2 GigaSamples의 매우 높은 샘플링 속도로 데이터를 캡처하는 Spectrum 디지타이저 카드의 기능입니다. 이는 실제로 필요한 것보다 많지만 '시끄러운' 조건과 약한 신호를 허용할 수 있는 여유를 제공합니다. 추가 대역폭은 또한 고주파수 잡음을 즉시 식별하고 필터링하여 나중에 데이터를 처리할 때 제거할 저주파 잡음만 남길 수 있음을 의미합니다.”

상상할 수 있듯이 바람에 움직이는 수많은 먼지 입자를 추적하면 엄청난 양의 데이터가 생성됩니다. Vind-Vind는 처음에 FPGA 플랫폼을 사용할 예정이었지만 프로그래밍하기가 너무 복잡하고 매초 생성되는 대량의 데이터를 처리할 컴퓨팅 성능이 충분하지 않다는 이유로 이 접근 방식을 거부했습니다. 데이터 문제는 Spectrum의 SCAPP 드라이버(병렬 처리를 위한 Spectrum의 CUDA 액세스)를 사용하여 해결되었습니다. 이 솔루션에서 16레인 PCIe 인터페이스를 갖춘 M5i 디지타이저는 수집된 데이터를 초당 최대 12.8GB로 PC CPU 대신 CUDA 기반 그래픽 카드에 직접 보냅니다. 그래픽 카드(이 경우 6,144개 코어의 GPU를 포함하는 Nvidia Quadro A4000)는 6개 또는 8개 코어만 있는 PC의 CPU보다 훨씬 빠르게 데이터를 처리합니다.

컴퓨터 모델링에 대한 Vind-Vind의 초기 목표는 난류가 도시 환경에서 측정된 난류와 어떻게 비교되는지 평가하는 것입니다. 그 후, 난류 모델링은 서로 다른 방향에서 불어오는 돌풍과 함께 대기의 더 높은 부분의 효과를 포함하도록 개선될 것입니다. 그런 다음 현실 세계에서 수집된 정확한 데이터를 사용하여 3D 컴퓨터 시뮬레이션의 예측을 검증하고 검증할 수 있습니다. Jorgensen은 “입증된 정확도를 통해 우리의 3D 바람 모델링은 제한된 버전의 풍동이 아닌 실제 세계의 복잡한 특성을 예측하므로 더 높은 수준의 안전성과 바람의 편안함을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.”라고 덧붙였습니다. “결국 이는 풍동 모델의 부정확성으로 인해 건축가가 구축해야 하는 상당한 초과 사양을 줄일 수 있음을 의미합니다. 이는 불필요한 재료 사용을 줄여 지속가능성을 향상하고 비용을 절감한다는 것을 의미합니다.”

회사는 대기 난류와 도시 환경, 풍력 터빈 클러스터, 교량 또는 공항의 복잡한 바람 상호 작용과 같이 일반적인 풍동이 유용한 결과를 제공할 수 없는 많은 상황에서 자사의 3D 풍력 모델링이 매우 유용할 것으로 기대하고 있습니다.