CFD仿真验证及有效性指引

CFDCFD 仿真验证及有效性指南仿真验证及有效性指南 摘要摘要 本文提出评估 CFD 建模和仿真可信性的指导方法。 评估可信度的两个主要原 则是：验证和有效。验证，即确定计算模拟是否准确表现概念模型的过程，但不 要求仿真和现实世界相关联。有效，即确定计算模拟是否表现真实世界的过程。 本文定义一些重要术语， 讨论基本概念， 并指定进行 CFD 仿真验证和有效的一般 程序。 本文目的在于提供验证和有效的重要问题和概念的基础，因为一些尚未解 决的重要问题， 本文不建议作为该领域的标准。希望该指南通过建立验证和有效 的共同术语和方法，以助于 CFD 仿真的研究、发展和使用。这些术语和方法也可 用于其他工程和科学学科。 前言前言 现在， 使用计算机模拟流体的流动过程， 用于设计， 研究和工程系统的运行， 并确定这些系统在不同工况下的性能。CFD 模拟也用于提高对流体物理和化学性 质的理解， 如湍流和燃烧， 有助于天气预报和海洋。 虽然 CFD 模拟广泛用于工业、 政府和学术界， 但目前评估其可信度的方法还很少。 这些指导原则基于以下概念， 没有适用于所有 CFD 模拟的固定的可信度和精确度。 模拟所需的精确度取决于模 拟的目的。 建立可信度的两个主要原则是验证和有效（V&V）。这里定义，验证即确定 模型能准确表现设计者概念模型的描述和模型解决方案的过程， 有效即确定预期 模型对现实世界表现的准确度的过程。该定义表明，V&V 的定义还在变动，还没 有一个明确的最终定义。通常完成或充分由实际问题决定，如预算限制和模型的 预期用途。 复合建模和计算模拟没有任何包括准确性的证明，如在数学分析方面 的发展。V&V 的定义也强调准确度的评价，一般在验证过程中，准确度以对简化 模型问题的基准解决方法符合性确定； 有效性时，准确度以对实验数据即现实的 符合性确定。 通常， 不确定性和误差可视为与建模和仿真准确度相关的正常损失。不确定 性， 即在任一建模过程中由于缺乏知识导致的潜在缺陷。知识缺乏通常是由对物 理特性或参数的不完全了解造成的，如对涡轮叶片表面粗糙度分布的不充分描 述。知识缺乏的另一个原因是物理过程的复杂性，如湍流燃烧。误差即在建模和 仿真的任一过程中可发现的缺陷，这不是由于缺乏知识导致的。错误误差可分为 可知的和不可知的。一个可知误差的例子是，物理模型简化过程中，圆在数字模 拟和物理近似时的误差。不可知误差有失误和错误，如程序错误。 在 V&V 的定义中，把“预测”一词的意义从一般用法限制为考虑 CFD 模型验 证过程。 预测的定义为使用 CFD 模型预测一个未经 CFD 模型证实的状态下的物理 系统。该定义是预测的一般意义的缩小，因为它用实验数据消除了过去的比较。 如果没有这个限制， 那就只表明验证数据库中的实验数据与以前数据的符合。 V&V 的进行应视为历史表述， 即可重复地证明模型在解决指定问题时能达到给定的精 度。从这个角度看，显然 V&V 过程没有直接要求预测的准确性。 验证的基本策略是识别和量化计算方案的误差。在 CFD 模拟中， 主要有四个 误差来源，即空间离散化收敛不足，时间离散化收敛不足，迭代收敛的不足，计 算机编程。 验证测试中最重要的是系统地精细网格尺寸和时间步长，目的是估计 数值解的离散化。当网格尺寸和时间步长接近零时，离散化误差渐近于零。渐近 区域出现后，可用 Richardson 的外推法估计零网格间距和时间步长。大多数情 况下，CFD 方程是高度非线性的，绝大多数求解这些方程的方法都要求迭代。迭 代通常发生在 2 种情况下：1）所有的边界值问题（即整个计算域）； 2）在每个 时间步长内的初始边界值问题。在验证测试中，求解对收敛标准大小的灵敏度应 是变化的，应该建立一个与仿真目标相一致的值。在验证过程中，把计算方案和 高精度方案相比较，是用来量化计算方案的误差的最准确、可靠的方法。但仅有 相对较小的简化问题的高精度方案是已知的。高精度方案可以分为三种类型： 解 析解，常微分方程（ODEs）的基准数值解，偏微分方程(PDEs)的基准数值解。分 别由解析计算、 常微分方程计算和偏微分方程计算，显然更是基准解准确性的一 个问题。 有效性的基本策略是识别和量化概念和计算模型的误差和不确定性。 推荐的 有效性方法是使用结构单元的方法。 该方法将复杂的工程系统划分为三个逐步简 单的阶段：子系统情况，基准情况，单元问题。该方法的策略是评估计算结果的 准确度，（准确度）与在复杂状态多层次下的实验数据（量化的不确定性估计） 相比得到。 过程的每一步表示一个不同层次的流体物理耦合和几何复杂度。一个 完整系统包括验证 CFD 工具所必需的实际硬件或系统。 因此所有的几何和流体物 理效应同时发生；通常，完整系统包括多学科的物理现象。子系统情况下，代表 实际硬件初步分解为简化或局部流动路径。与完整系统相比， 这些情况的每一个 通常代表有限的几何或流体特征。基准情况代表完整系统连续分解的另一等级。 这些情况下， 要组合单独的硬件以代表各子系统的重要特征。基准情况比子系统 的几何结构更简单， 因为通常在基准情况只有 2 个单独的流体物理和 2 个流动特 征相耦合。单位问题代表完整系统的全部分解。制造和检验高精度、专用硬件。 单位问题的特点是非常简单的几何形状，一个流动的物理特征，和一个主要的流 动特性。 该阶段的另一特点是以不同数量的实验信息为初始条件和边界条件来求 解每个阶段的偏微分方程。 此外，不同阶段对实验测量不确定度的评估有很大差 别。 1.1.简介简介 1.11.1 背景背景 计算流体力学（CFD）是一种新兴的技术。它是随着现代数值计算的产生， 理论和实验科学的经典分支的合并。在过去 40 年中，计算流体力学取得非凡进 展。这一进展大部分是由数字运算速度惊人的增长所推动的。自 1955 年以来， 计算的成本降低了约五个数量级[1]。数字计算的力量已经改变了流体力学的研 究和工程，正如它用于几乎所有人类致力于的领域。 流体流动过程的计算机模拟，现在用于设计，研究和工程系统运行，并确定 各种条件下的性能。使用的系统可以是现有的或也可以是在设计状态、非设计状 态、故障模式状态，或事故状态下的推荐系统。CFD 模拟也用于提高对流体的物 理和化学的理解，如湍流和燃烧，并有助于天气预报和海洋。此外，这种模拟也 用于制定公共政策、准备安全程序、确定法律责任。CFD 模拟的研究人员、开发 人员和用户，以及那些受仿真结果影响的人，都充分关注结果的可信度。 虽然 CFD 模拟已广泛用于工业，政府和学术界，但目前还缺少一致的可靠性 评估程序。评估可靠度的主要原则是验证和有效（V&V）。这里定义，验证即确 定模型能准确表现设计者概念模型的描述和模型解决方案的过程， 但不要求模拟 与真实世界的关系。有效即确定计算模型是否反映现实世界的过程。验证要确定 问题是否得到了正确的解决，而有效则要确定正确的问题是否已经解决了。V&V 需要一个一致的合理的框架，以获得 CFD 建模和仿真的最大优势。 1.21.2 范围范围 V&V 的基本策略是评估计算仿真中的误差和不确定度。所需的方法是一个复 杂的过程，因为它必须评估 CFD