Lösungsverifizierung in CFD – wer führt sie durch und warum ist sie wichtig?

Diese FAQ bietet zunächst einen Überblick über den Unterschied zwischen Verifizierung und Validierung und geht dann auf einen entscheidenden Aspekt der Qualitätssicherung in der CFD ein: die Lösungsverifizierung. Sie ist ein wichtiger Schritt, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von CFD-Berechnungen sicherzustellen. Im Folgenden werden die wichtigsten Aspekte der Lösungsüberprüfung in der CFD anhand des WTG-Merkblatts M3 "Numerische Simulation von Windströmungen" erläutert und praktische Tipps für Ihre Arbeit gegeben.

A. Validierung vs. Verifizierung

Zunächst ist es wichtig, zwischen "Validierung" und "Verifizierung" zu unterscheiden. Die Validierung zeigt, dass die richtigen Gleichungen gelöst werden, d. h., die Simulation löst die gegebene Aufgabe mit dem gewählten Modell ausreichend genau. Bei CFD-Anwendungen muss zwischen Programmverifizierung und Lösungsverifizierung unterschieden werden. Die Programmverifizierung soll nachweisen, dass ein Softwareprogramm innerhalb seiner Bedingungen korrekt berechnet und die Gleichungen richtig löst. Die Lösungsverifizierung überprüft die Berechnung und soll sicherstellen, dass diese in sich konsistent ist, d. h., dass eine stabile Lösung erreicht wurde, bei der die erwarteten Effekte eintreten und die nicht mehr wesentlich vom verwendeten Modell abhängen. Während die Programmverifizierung vom Softwarehersteller durchgeführt wird, erfolgt die Lösungsverifizierung immer durch den Anwender.

B. Warum ist die Lösungsverifizierung so wichtig?

1. CFD-Modelle sind immer Approximationen der Realität. Sie beinhalten Vereinfachungen und Annahmen, die zu Abweichungen führen können.
2. Die zugrunde liegenden mathematischen Gleichungen sind oft nicht exakt lösbar und erfordern numerische Methoden.
3. Die Verantwortung für die Qualität der Ergebnisse liegt beim Anwender. Der Anwender muss sicherstellen, dass für die jeweilige Aufgabe das richtige Modell verwendet wird.

Im Gegensatz zur Lösungsverifizierung wird die Programmverifizierung vom Softwarehersteller, wie beispielsweise der Dlubal Software GmbH, durchgeführt und dokumentiert. Hierzu verweisen wir auf unsere umfangreichen Verifizierungsbeispiele, Knowledge-Base-Artikel und FAQs zu RWIND.

C. Konkrete Schritte und Checkliste zur Lösungsverifizierung

In Abschnitt 5.2 des WTG-Merkblatts M3 "Numerische Simulation von Windströmungen" wird eine konkrete Checkliste zur Lösungsverifizierung vorgestellt:

Modellierung

• Werden die gewünschten Effekte durch das gewählte Modell dargestellt?
• Wurde der richtige Maßstab verwendet?
• Ist das ausgewählte Untersuchungsgebiet ausreichend groß? (siehe 4.1.3)
• Ist die Blockierungsrate ausreichend niedrig? (siehe 4.1.3)
• Wurden die Randbedingungen korrekt formuliert?
• Sind die Eingabewerte ausreichend beschrieben (Bandbreite, Variabilität)?

Netzqualität

• Ist das Netz an kritischen Punkten fein genug?
• Ist der Einfluss des Netzes auf die Lösung bekannt?
• Funktioniert das Netz gleichermaßen gut für verschiedene Strömungsrichtungen?

Numerische Parameter

• Wurde Konvergenz der gewünschten Zielgrößen erreicht?
• Ist die zeitliche Auflösung für die erwarteten Phänomene fein genug?

Plausibilität

• Verläuft die Strömung in die richtige Richtung?
• Sind die Trennstellen der Strömung plausibel?
• Sind die Druck- und Saugkoeffizienten plausibel?
• Sind die Schwankungen der Windgeschwindigkeiten plausibel?
• Ist die Verteilung der Turbulenzparameter angemessen?

Diese Liste stellt die Mindestkriterien zur Verifizierung der verschiedenen Aspekte einer CFD-Lösung dar und kann individuell erweitert werden.

D. Zusammenfassung und Ausblick

Die Lösungsverifizierung ist ein wichtiger Aspekt der CFD-Anwendung, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Simulationen sicherzustellen. Mithilfe einer systematischen Bewertung der Modellierung, der Netzqualität, der numerischen Parameter und der Plausibilität können Ingenieure überprüfen, ob die durchgeführten Simulationen realistische und vertrauenswürdige Ergebnisse liefern. Der Aufwand für die Verifizierung hängt weitgehend von der Komplexität des Modells ab, die durch die Anforderungen des Untersuchungsproblems gerechtfertigt sein sollte. Besondere Aufmerksamkeit muss der notwendigen Sorgfalt bei der Durchführung der Lösungsverifizierung gewidmet werden, da diese ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Aufwand und Tiefe der Untersuchung erfordert.

Quellen

• Windtechnologische Gesellschaft WTG e.V. (2023). WTG-Merkblatt M1 – Wind Tunnel Experiments in Building Aerodynamics. Aachen: WTG.
• Windtechnologische Gesellschaft WTG e.V. (2023). WTG-Merkblatt M3 – Numerical Simulation of Wind Flows. Aachen: WTG.
• VDI e.V. (2015). VDI Guideline 6201 – Software-Supported Structural Analysis. Düsseldorf: VDI.