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)機電與汽車工程學(xué)院，中國 重慶400074）

FLUENT軟件在模擬流體的運動問題上已經(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，較好的實現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來建立大規(guī)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(shù)據(jù)結(jié)果在GIS中的運用現(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(zhàn)。對今后的深入研究具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。

1 GIS與CFD軟件介紹及集成現(xiàn)狀

1.1 GIS軟件簡介

GIS（Geographic Information System,簡稱 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)，是以測繪測量為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲存和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術(shù)。經(jīng)過不斷的發(fā)展，GIS的應(yīng)用范圍已相當(dāng)廣泛，像資源調(diào)查、環(huán)境評估、災(zāi)害預(yù)測、國土管理、城市規(guī)劃、郵電通訊、交通運輸、軍事公安、水利電力、公共設(shè)施管理、農(nóng)林牧業(yè)、統(tǒng)計、商業(yè)金融等幾乎所有領(lǐng)域。

GIS軟件是能提供存儲、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軟件具有強大的數(shù)據(jù)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(xué),簡稱CFD。它是目前國際上一個強有力的研究領(lǐng)域,是進行傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞及燃燒、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、汽車設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機設(shè)計、半導(dǎo)體設(shè)計、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,除了計算機硬件工業(yè)的發(fā)展給它提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)外,還主要因為無論分析的方法或?qū)嶒灥姆椒ǘ加休^大的限制,例如由于問題的復(fù)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(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點。經(jīng)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(shù)下用計算機對現(xiàn)象進行一次數(shù)值模擬相當(dāng)于進行一次數(shù)值實驗,歷史上也曾有過首先由CFD數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)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(yōu)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(xué)反應(yīng)等等。對每一種物理問題的流動特點,都有適合它的數(shù)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(wěn)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(shù)值方法以及強大的計算處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣、渦輪機設(shè)計等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

1.3 集成現(xiàn)狀

近年來隨著GIS和CFD的作為兩個系統(tǒng)的不斷的發(fā)展，使得GIS和CFD已經(jīng)發(fā)展成為兩個獨立的系統(tǒng)。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(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)。

運用GIS數(shù)據(jù)來對FLUENT進行建模已經(jīng)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(shù)據(jù)，繪制點、線、面體等步驟生成真實地形網(wǎng)格的方法。David W.Wong等[2]發(fā)現(xiàn)在FLUENT建模中運用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)中的點群數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常簡單，并編程設(shè)立了CFD與GIS數(shù)據(jù)的API接口。M.H.Zheng等[4]等運用GIS的衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)對FLUENT進行建模等等都在運用GIS數(shù)據(jù)建立模型方面取得了不錯的效果。

2 應(yīng)用潛力分析

GIS可快速建立復(fù)雜的空間立體模型，并且儲存和處理龐大的數(shù)據(jù)，有著強大的空間分析能力。能將表格型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理圖形顯示，并對顯示結(jié)果瀏覽、操作和分析。CFD的根本是應(yīng)用于流體計算，結(jié)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(jié)果所反應(yīng)的重要信息。集成GIS的建模功能和CFD的流體計算功能于一體，形成一個有效模擬仿真系統(tǒng)，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(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；

（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)合兩個軟件的強大優(yōu)勢功能來達到實驗?zāi)康?，就得處理好三維建模、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；

（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處理不同時期的CFD輸出數(shù)據(jù)；

（5）開發(fā)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(jīng)有一些研究使用GIS的數(shù)據(jù)到其他的FLUENT軟件中,但對于大多數(shù)CFD模型的輸出結(jié)果，并沒有與GIS軟件進行結(jié)合，使得GIS與CFD兩個系統(tǒng)的優(yōu)勢并沒有得到充分有效的利用。

4 結(jié)語與展望

FLUENT和GIS有著各自的功能優(yōu)勢。將兩者的優(yōu)勢結(jié)合，形成一個完善的系統(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)，提出了集成過程中可能會出現(xiàn)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(fā)展。在當(dāng)今熱點話題環(huán)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(tài)顯示、氣體擴散軌跡以及預(yù)警研究等都可借助這個平臺來實現(xiàn)。

［1］章博,陳國明,孔令圳.一種真實地形計算流體力學(xué)網(wǎng)格生成方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：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.