耦合GIS與CFD應(yīng)用潛力與面臨挑戰(zhàn)的探討

張 立

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，中國(guó) 重慶400074）

FLUENT軟件在模擬流體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，能夠得出比較精確的模擬解，較為準(zhǔn)確的反應(yīng)流體流動(dòng)的軌跡。隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出了ArcGIS 10系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)二三維一體，較好的實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)組織、顯示和空間分析功能。隨著計(jì)算機(jī)的能力的提高，提取GIS的數(shù)據(jù)來(lái)建立大規(guī)模的空間立體模型，并運(yùn)用到FLUENT來(lái)模擬流體的運(yùn)動(dòng)軌跡也有了一些研究。

FLUENT的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果在GIS中的運(yùn)用現(xiàn)在的研究還比較少。傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)是二維的、靜態(tài)的。在三維空間中，GIS技術(shù)仍然不能夠處理真正的3D數(shù)據(jù)。

本文重點(diǎn)分析了耦合兩者帶來(lái)的巨大潛力和面臨的諸多難題與挑戰(zhàn)。對(duì)今后的深入研究具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 GIS與CFD軟件介紹及集成現(xiàn)狀

1.1 GIS軟件簡(jiǎn)介

GIS（Geographic Information System,簡(jiǎn)稱 GIS）是地理信息系統(tǒng)的意思。它是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)，是以測(cè)繪測(cè)量為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和使用的數(shù)據(jù)源，以計(jì)算機(jī)編程為平臺(tái)的全球空間分析即時(shí)技術(shù)。經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，GIS的應(yīng)用范圍已相當(dāng)廣泛，像資源調(diào)查、環(huán)境評(píng)估、災(zāi)害預(yù)測(cè)、國(guó)土管理、城市規(guī)劃、郵電通訊、交通運(yùn)輸、軍事公安、水利電力、公共設(shè)施管理、農(nóng)林牧業(yè)、統(tǒng)計(jì)、商業(yè)金融等幾乎所有領(lǐng)域。

GIS軟件是能提供存儲(chǔ)、顯示、分析地理數(shù)據(jù)功能的軟件。主要包括數(shù)據(jù)輸入與編輯、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)操作以及數(shù)據(jù)顯示和輸出等。GIS軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和建模功能。

1.2 CFD軟件簡(jiǎn)介

CFD軟件 (Computational Fluid Dynamics),即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),簡(jiǎn)稱CFD。它是目前國(guó)際上一個(gè)強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域,是進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù),廣泛應(yīng)用于航天設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、HAVC&R等諸多工程領(lǐng)域。

CFD在最近20年中得到飛速的發(fā)展,除了計(jì)算機(jī)硬件工業(yè)的發(fā)展給它提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)外,還主要因?yàn)闊o(wú)論分析的方法或?qū)嶒?yàn)的方法都有較大的限制,例如由于問(wèn)題的復(fù)雜性,既無(wú)法作分析解,也因費(fèi)用昂貴而無(wú)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定,而CFD的方法正具有成本低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一定考核的CFD軟件可以拓寬實(shí)驗(yàn)研究的范圍,減少成本昂貴的實(shí)驗(yàn)工作量。在給定的參數(shù)下用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行一次數(shù)值模擬相當(dāng)于進(jìn)行一次數(shù)值實(shí)驗(yàn),歷史上也曾有過(guò)首先由CFD數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象而后由實(shí)驗(yàn)予以證實(shí)的例子。CFD軟件一般都能推出多種優(yōu)化的物理模型，如定常和非定常流動(dòng)、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等等。對(duì)每一種物理問(wèn)題的流動(dòng)特點(diǎn),都有適合它的數(shù)值解法,用戶可對(duì)顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇,以期在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳。

FLUENT是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的計(jì)算處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

1.3 集成現(xiàn)狀

近年來(lái)隨著GIS和CFD的作為兩個(gè)系統(tǒng)的不斷的發(fā)展，使得GIS和CFD已經(jīng)發(fā)展成為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。在集成GIS與CFD集成的過(guò)程中，將要遇到的主要困難在于，在三維空間中，GIS技術(shù)仍然不能夠處理真正的3D數(shù)據(jù)，相關(guān)的研究還是處于起步階段，大多數(shù)的所謂的3D數(shù)據(jù)也只是的數(shù)據(jù)。

運(yùn)用GIS數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)FLUENT進(jìn)行建模已經(jīng)有一些研究，例如，章博，陳國(guó)明等[1]提出一種通過(guò)獲取及處理GIS數(shù)據(jù)，繪制點(diǎn)、線、面體等步驟生成真實(shí)地形網(wǎng)格的方法。David W.Wong等[2]發(fā)現(xiàn)在FLUENT建模中運(yùn)用GIS的光柵格式和使用地形輪廓數(shù)據(jù)在FLUENT中模擬的結(jié)果不會(huì)有巨大的差異。季亮、譚洪衛(wèi)[3]等注意到GIS數(shù)據(jù)中的點(diǎn)群數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，并編程設(shè)立了CFD與GIS數(shù)據(jù)的API接口。M.H.Zheng等[4]等運(yùn)用GIS的衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)對(duì)FLUENT進(jìn)行建模等等都在運(yùn)用GIS數(shù)據(jù)建立模型方面取得了不錯(cuò)的效果。

2 應(yīng)用潛力分析

GIS可快速建立復(fù)雜的空間立體模型，并且儲(chǔ)存和處理龐大的數(shù)據(jù)，有著強(qiáng)大的空間分析能力。能將表格型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理圖形顯示，并對(duì)顯示結(jié)果瀏覽、操作和分析。CFD的根本是應(yīng)用于流體計(jì)算，結(jié)合給定的物理模型和流體運(yùn)動(dòng)等信息，可獲得空間位置上流體的速度分布、壓力分布、濃度分布等各種物理量的模擬結(jié)果所反應(yīng)的重要信息。集成GIS的建模功能和CFD的流體計(jì)算功能于一體，形成一個(gè)有效模擬仿真系統(tǒng)，將比單純的某個(gè)軟件來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題的效果要好得多。

利用地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)為FLUENT建模、FLUENT的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果在GIS中顯示表達(dá)和兩者結(jié)合應(yīng)用方面都有著巨大的潛力：

（1）直接從GIS中提取數(shù)據(jù)用來(lái)建模；

（2）拓展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

（3）為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化提供技術(shù)支持；

（4）可視化表達(dá)；

（5）應(yīng)用方面：例如氣候、人口、資源、環(huán)境與生態(tài)等諸多和人類生存密切相關(guān)的領(lǐng)域。

3 面臨的挑戰(zhàn)

要想很好的結(jié)合兩個(gè)軟件的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)功能來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模偷锰幚砗萌S建模、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、信息失真、數(shù)據(jù)輸出及讀取、圖像顯示等諸多難題。分析集成兩個(gè)軟件的主要困難如下：

（1）集成GIS和CFD的困難包括地理信息系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)建模和存儲(chǔ)；

（2）從GIS中提取相關(guān)的三維信息用于CFD建模；

（3）在GIS中呈現(xiàn)三維CFD輸出數(shù)據(jù)；

（4）GIS處理不同時(shí)期的CFD輸出數(shù)據(jù)；

（5）開(kāi)發(fā)3D分析功能來(lái)支持影響評(píng)估。

但是到目前為止；通過(guò)上面的敘述知道已經(jīng)有一些研究使用GIS的數(shù)據(jù)到其他的FLUENT軟件中,但對(duì)于大多數(shù)CFD模型的輸出結(jié)果，并沒(méi)有與GIS軟件進(jìn)行結(jié)合，使得GIS與CFD兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有得到充分有效的利用。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

FLUENT和GIS有著各自的功能優(yōu)勢(shì)。將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，形成一個(gè)完善的系統(tǒng)，必然有著廣闊的應(yīng)用前景。本文著重探討了將兩者結(jié)合的應(yīng)用潛力和即將面臨的諸多難題和挑戰(zhàn)，提出了集成過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題并指明了問(wèn)題方向。

在今后的研究過(guò)程中，研究者可以向更高層次深入研究和發(fā)展。在當(dāng)今熱點(diǎn)話題環(huán)境與安全方面例如污染氣體的擴(kuò)散問(wèn)題和燃?xì)庑孤U(kuò)散問(wèn)題的三維動(dòng)態(tài)顯示、氣體擴(kuò)散軌跡以及預(yù)警研究等都可借助這個(gè)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

［1］章博,陳國(guó)明,孔令圳.一種真實(shí)地形計(jì)算流體力學(xué)網(wǎng)格生成方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,35(5)：104-108.

［2］David W.Wong,Fernando Camelli,Mukul Sonwalkar.Integrating computational fluid dynamics(CFD)models with GIS：An evaluation on data conversion formats[J].Geospatial Information Science,2007.

［3］季亮,譚洪衛(wèi).基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的區(qū)域風(fēng)環(huán)境模擬技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].暖通空調(diào) HV&AC,2008,38(1)：2-6.

［4］M.H.Zheng,Y.R.Guo,X.Q.Ai,T.Qin.Coupling GIS with CFD Modeling to Simulate Urban Pollutant Dispersion[J].Tongji University.