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Diese FAQ gibt zunächst einen Überblick über den Unterschied zwischen Verifikation und geht dann auf einen entscheidenden Aspekt der Qualitätssicherung in CFD ein: Verifikation der Lösung. Dies ist ein wesentlicher Schritt, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von CFD-Berechnungen sicherzustellen. Im Folgenden erläutern wir Ihnen die wichtigsten Aspekte bei der Lösungsverifikation in CFD anhand des WTG-Merkblatts M3 "Numerische Simulation von Windströmungen" und geben Ihnen praktische Hinweise für Ihre Arbeit.
A. Validierung vs. Verifikation
Zunächst ist es wichtig, zwischen Validierung und Verifikation zu unterscheiden. Die Validierung zeigt, dass die richtigen Gleichungen gelöst werden, d. h. die Simulation löst die gegebene Aufgabe mit dem gewählten Modell genau genug. Bei CFD-Anwendungen ist zwischen "Programmverifikation" und "Lösungsverifikation" zu unterscheiden. Die Programmverifikation soll nachweisen, dass ein Softwareprogramm im Rahmen seiner Bedingungen korrekt rechnet und die Gleichungen richtig löst. Die Überprüfung der Berechnung, bzw. die Verifikation der Lösung, soll sicherstellen, dass die Berechnung intern konsistent ist, d. h. eine stabile Lösung erreicht wurde, bei der die erwarteten Effekte auftreten und nicht mehr wesentlich vom verwendeten Modell abhängen. Während die Programmverifikation beim Softwarehersteller erfolgt, erfolgt die Lösungsverifikation stets beim Anwender.
B. Warum ist die Verifizierung der Lösung so wichtig?
- CFD-Modelle sind immer Näherungen der Realität. Sie beinhalten Vereinfachungen und Annahmen, die zu Abweichungen führen können.
- Die zugrundeliegenden mathematischen Gleichungen sind oft nicht exakt lösebar und erfordern numerische Verfahren.
- Die Verantwortung für die Qualität der Ergebnisse liegt beim Anwender. Der Anwender muss dafür sorgen, dass das richtige Modell für die jeweilige Aufgabenstellung verwendet wird.
Im Gegensatz zur Lösungsverifikation wird die Programmverifikation vom Softwarehersteller, z. B. der Dlubal Software GmbH, durchgeführt und dokumentiert. Hierfür verweisen wir auf unsere umfangreichen Verifikationsbeispiele, Knowledge-Base-Artikel und FAQs zu RWIND.
C. Konkrete Schritte und Checkliste für die Verifizierung der Lösung
Das WTG-Merkblatt M3 "Numerische Simulation von Windströmungen" stellt in Abschnitt 5.2 eine konkrete Checkliste zur Verifikation der Lösung zur Verfügung:
Modellierung
- Werden durch das gewählte Modell die gewünschten Effekte abgebildet?
- Wurde der richtige Maßstab verwendet?
- Ist der Untersuchungsbereich ausreichend groß gewählt? (siehe 4.1.3)
- Ist der Blockierungsgrad ausreichend niedrig? (siehe 4.1.3)
- Sind die Randbedingungen richtig formuliert?
- Sind die Eingangsgrößen ausreichend beschrieben (bandbreite, veränderlichkeit)?
Netzqualität
- Ist das Raster an kritischen Stellen fein genug?
- Ist der Einfluss des Rasters auf die Lösung bekannt?
- Funktioniert das Raster für verschiedene Anströmrichtungen gleich gut?
Numerische Parameter
- Ist eine Konvergenz der gewünschten Zielwerte erreicht?
- Ist die Zeitauflösung fein genug für die erwarteten Phänomene?
Plausibilität
- Erfolgt die Strömung in die richtige Richtung?
- Sind die Trennstellen der Strömung plausibel?
- Sind die Druck- und Sogbeiwerte plausibel?
- Sind die Schwankungen der Windgeschwindigkeiten plausibel?
- Ist die Verteilung der Turbulenzparameter geeignet?
Diese Liste stellt die Mindestkriterien zur Überprüfung der verschiedenen Aspekte einer CFD-Lösung dar und kann individuell erweitert werden.
D. Zusammenfassung und Ausblick
Die Lösungsverifikation ist auf Anwenderseite ein wichtiger Aspekt von CFD, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Simulationen sicherzustellen. Durch die systematische Beurteilung von Modellierung, Netzqualität, numerischen Parametern und Plausibilität können Ingenieure nachweisen und bestätigen, dass die durchgeführten Simulationen realistische und zuverlässige Ergebnisse liefern. Der Verifikationsaufwand wird dabei maßgeblich von der Komplexität des Modells bestimmt, die durch die Anforderungen des Untersuchungsproblems rechtfertigt werden sollte. Bei der Durchführung der Lösungs-Verifikationen ist die notwendige Sorgfältigkeit eines austarierten Verhältnisses zwischen Untersuchungsaufwand und Untersuchungstiefe zu beachten.
Quellen
- Windtechnologische Gesellschaft WTG e (2023) ausreichend sind. WTG-Merkblatt M1 – Windkanalversuche in der Gebäudeaerodynamik. Aachen: WTG, 1982
- Windtechnologische Gesellschaft WTG e (2023) ausreichend sind. WTG-Merkblatt M3 – Numerische Simulation von Windströmungen. Aachen: WTG, 1982
- VDI e (2015) ausreichend sind. VDI-Richtlinie 6201 – Softwaregestützte Tragwerksberechnung. Düsseldorf: VDI, 2001
