耦合GIS與CFD應用潛力與面臨挑戰的探討

張 立

（重慶交通大學機電與汽車工程學院，中國 重慶400074）

FLUENT軟件在模擬流體的運動問題上已經得到廣泛的應用，能夠得出比較精確的模擬解，較為準確的反應流體流動的軌跡。隨著地理信息系統（GIS）的發展，已經發展出了ArcGIS 10系統，它能夠實現二三維一體，較好的實現了三維數據組織、顯示和空間分析功能。隨著計算機的能力的提高，提取GIS的數據來建立大規模的空間立體模型，并運用到FLUENT來模擬流體的運動軌跡也有了一些研究。

FLUENT的模擬數據結果在GIS中的運用現在的研究還比較少。傳統的GIS數據是二維的、靜態的。在三維空間中，GIS技術仍然不能夠處理真正的3D數據。

本文重點分析了耦合兩者帶來的巨大潛力和面臨的諸多難題與挑戰。對今后的深入研究具有一定的參考價值和指導意義。

1 GIS與CFD軟件介紹及集成現狀

1.1 GIS軟件簡介

GIS（Geographic Information System,簡稱 GIS）是地理信息系統的意思。它是綜合處理和分析地理空間數據的一種技術系統，是以測繪測量為基礎，以數據庫作為數據儲存和使用的數據源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術。經過不斷的發展，GIS的應用范圍已相當廣泛，像資源調查、環境評估、災害預測、國土管理、城市規劃、郵電通訊、交通運輸、軍事公安、水利電力、公共設施管理、農林牧業、統計、商業金融等幾乎所有領域。

GIS軟件是能提供存儲、顯示、分析地理數據功能的軟件。主要包括數據輸入與編輯、數據管理、數據操作以及數據顯示和輸出等。GIS軟件具有強大的數據處理能力和建模功能。

1.2 CFD軟件簡介

CFD軟件 (Computational Fluid Dynamics),即計算流體動力學,簡稱CFD。它是目前國際上一個強有力的研究領域,是進行傳熱、傳質、動量傳遞及燃燒、多相流和化學反應研究的核心和重要技術,廣泛應用于航天設計、汽車設計、生物醫學工業、化工處理工業、渦輪機設計、半導體設計、HAVC&R等諸多工程領域。

CFD在最近20年中得到飛速的發展,除了計算機硬件工業的發展給它提供了堅實的物質基礎外,還主要因為無論分析的方法或實驗的方法都有較大的限制,例如由于問題的復雜性,既無法作分析解,也因費用昂貴而無力進行實驗確定,而CFD的方法正具有成本低和能模擬較復雜或較理想的過程等優點。經過一定考核的CFD軟件可以拓寬實驗研究的范圍,減少成本昂貴的實驗工作量。在給定的參數下用計算機對現象進行一次數值模擬相當于進行一次數值實驗,歷史上也曾有過首先由CFD數值模擬發現新現象而后由實驗予以證實的例子。CFD軟件一般都能推出多種優化的物理模型，如定常和非定常流動、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動、傳熱、化學反應等等。對每一種物理問題的流動特點,都有適合它的數值解法,用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇,以期在計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳。

FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，它具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的計算處理功能，在航空航天、汽車設計、石油天然氣、渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。

1.3 集成現狀

近年來隨著GIS和CFD的作為兩個系統的不斷的發展，使得GIS和CFD已經發展成為兩個獨立的系統。在集成GIS與CFD集成的過程中，將要遇到的主要困難在于，在三維空間中，GIS技術仍然不能夠處理真正的3D數據，相關的研究還是處于起步階段，大多數的所謂的3D數據也只是的數據。

運用GIS數據來對FLUENT進行建模已經有一些研究，例如，章博，陳國明等[1]提出一種通過獲取及處理GIS數據，繪制點、線、面體等步驟生成真實地形網格的方法。David W.Wong等[2]發現在FLUENT建模中運用GIS的光柵格式和使用地形輪廓數據在FLUENT中模擬的結果不會有巨大的差異。季亮、譚洪衛[3]等注意到GIS數據中的點群數據的數據結構非常簡單，并編程設立了CFD與GIS數據的API接口。M.H.Zheng等[4]等運用GIS的衛星圖片數據對FLUENT進行建模等等都在運用GIS數據建立模型方面取得了不錯的效果。

2 應用潛力分析

GIS可快速建立復雜的空間立體模型，并且儲存和處理龐大的數據，有著強大的空間分析能力。能將表格型數據轉換為地理圖形顯示，并對顯示結果瀏覽、操作和分析。CFD的根本是應用于流體計算，結合給定的物理模型和流體運動等信息，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果所反應的重要信息。集成GIS的建模功能和CFD的流體計算功能于一體，形成一個有效模擬仿真系統，將比單純的某個軟件來解決實際工程問題的效果要好得多。

利用地理信息系統數據為FLUENT建模、FLUENT的模擬數據結果在GIS中顯示表達和兩者結合應用方面都有著巨大的潛力：

（1）直接從GIS中提取數據用來建模；

（2）拓展數據結構；

（3）為數據轉化提供技術支持；

（4）可視化表達；

（5）應用方面：例如氣候、人口、資源、環境與生態等諸多和人類生存密切相關的領域。

3 面臨的挑戰

要想很好的結合兩個軟件的強大優勢功能來達到實驗目的，就得處理好三維建模、數據格式轉換、信息失真、數據輸出及讀取、圖像顯示等諸多難題。分析集成兩個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三維數據建模和存儲；

（2）從GIS中提取相關的三維信息用于CFD建模；

（3）在GIS中呈現三維CFD輸出數據；

（4）GIS處理不同時期的CFD輸出數據；

（5）開發3D分析功能來支持影響評估。

但是到目前為止；通過上面的敘述知道已經有一些研究使用GIS的數據到其他的FLUENT軟件中,但對于大多數CFD模型的輸出結果，并沒有與GIS軟件進行結合，使得GIS與CFD兩個系統的優勢并沒有得到充分有效的利用。

4 結語與展望

FLUENT和GIS有著各自的功能優勢。將兩者的優勢結合，形成一個完善的系統，必然有著廣闊的應用前景。本文著重探討了將兩者結合的應用潛力和即將面臨的諸多難題和挑戰，提出了集成過程中可能會出現的問題并指明了問題方向。

在今后的研究過程中，研究者可以向更高層次深入研究和發展。在當今熱點話題環境與安全方面例如污染氣體的擴散問題和燃氣泄漏擴散問題的三維動態顯示、氣體擴散軌跡以及預警研究等都可借助這個平臺來實現。

［1］章博,陳國明,孔令圳.一種真實地形計算流體力學網格生成方法[J].中國石油大學學報：自然科學版,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.基于地理信息系統(GIS)的區域風環境模擬技術的開發與應用[J].暖通空調 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.