Slajd 1

Marta Laska, Alina Żabnieoska-Góra, Jan Syposz
WALIDACJA I WERYFIKACJA MODELU
OPROGRAMOWANIE CFD
OPROGRAMOWANIE DO SYMULACJI ENERGETYCZNYCH
Pierwsze dyskusje na temat walidacji i weryfikacji matematycznych
i numerycznych modeli dla procesów fizycznych pojawiły się już 30 – 40 lat
temu. Jednak dopiero w 1998 roku, jak piszą autorzy raportu „Verification
and Validation In Computational Fluid Dynamics”, Amerykaoski Instytut
Aeronautyki i Astronautyki (ang. = American Institute of Aeronautics and
Astronautics) sprecyzował szereg zagadnieo i definicji w wytycznych
zatytuowanych „Guide for the Verification and Validation of Computational
Fluid Dynamics Simulations” AIAA zdefiniował weryfikację jako proces
ustalania, czy realizacja modelu matematycznego dokładnie odzwierciedla
opis koncepcyjny twórcy modelu i rozwiązanie modelu, walidację natomiast
jako proces określenia stopnia, w jakim model CFD jest dokładnym
odwzorowaniem rzeczywistego świata z perspektywy zamierzonego
zastosowania modelu.
Zgodnie z definicją AAIA proces kontroli oprogramowania pod kątem jego
użyteczności w procesie modelowania numerycznego przebiega
dwuetapowo – wykonują ją autor programu i sam użytkownik. Z kolei
dwuetapowa kontrola oprogramowania wykonana przez użytkownika
polega na weryfikacji i walidacji (rys. 1). Weryfikacja polega na porównaniu
wyników obliczeo z dostępnym i opublikowanym wzorcem analitycznym,
(ang. = benchmark solution), natomiast walidacja - na porównaniu
wyników obliczeo z wartościami uzyskanymi drogą eksperymentalną (rys.2).
Przeprowadzenie pełnej walidacji oprogramowania do symulacji
energetycznych w praktyce nie jest możliwe, ponieważ zbadanie wszystkich
kombinacji możliwych zastosowao jest skomplikowanym procesem. W 2007
w raporcie dla IEA (International Energy Agency) Annex 43, powołując sie
na publikację Judkoff`a z 1998 roku, rozważono trzy rodzaje walidacji
programów do symulacji energetycznych: 1) walidacja analityczna
(porównanie wyników programu z rozwiązaniem analitycznym), 2)walidacja
porównawcza (porównanie programu z innym programem symulacyjnym)
3) walidacja empiryczna (porównanie wyników programu z eksperymentem
rzeczywistym). Jednak pierwsze próby stworzenia kompleksowej
metodologii walidacji tego typu oprogramowania podjęła Komisja
Wspólnot Europejskich (Commission of the European Communities) już w
1986 roku dla pasywnych słonecznych systemów grzewczych w ramach
projektu PASSYS. Wynikiem prac była metodologia (rys. 3), obejmująca
walidację empiryczną i nieempiryczną na poziomie pojedynczych procesów,
jak również na poziomie całego modelu.
Rys. 3. Metodologia walidacji oprogramowania modelem PASSYS.
Fig. 3. The PASSYS model validation methodology.
Rys. 1. Kontrola oprogramowania pod kątem jego użyteczności w procesie modelowania.
Fig. 1. CFD code control.
Rys. 2. Kontrola oprogramowania przez użytkownika.
Fig. 2. CFD code control made by user.
Dobrym wzorcem do weryfikacji oprogramowania CFD dla celów wentylacji
i ogrzewania pomieszczeo jest stworzony na przełomie lat 70-tych i 80-tych
przez Grahama de Vahl Davisa wzorzec oparty na analizie parametrów
przepływu powietrza w dwuwymiarowym różnicowo ogrzewanym kanale o
przekroju kwadratowym, w oparciu o aproksymację Boussinesq’a.
Walidacja oprogramowania jest przeprowadzana drogą eksperymentalną –
przez porównanie wyników symulacji z wartościami mierzonymi.
TEORIA A PRAKTYKA – PODSUMOWANIE
Weryfikacja i walidacja pozwalają określid w jakim stopniu model stworzony
przy użyciu danego oprogramowania opisuje rzeczywiste zjawiska fizyczne.
Wynikłe rozbieżności pozwalają na odpowiednie zdefiniowanie uproszczeo
dla celów symulacji lub ich korektę, poprawne zagęszczenie siatki
dyskretyzacji czy zdefiniowanie warunków brzegowych.
W praktyce w przypadku oprogramowania do symulacji energetycznych
walidacji i weryfikacji podlega tylko zbudowany model. W analizach
sprawdza się poprawnośd odwzorowania zarówno statycznych jak i
dynamicznych cech obiektu badawczego, w oparciu o porównanie wyników
symulacji z wynikami przeprowadzonych pomiarów albo poprzez
porównanie z wynikami uzyskanymi z innych modeli symulujących przebieg
tego samego procesu. Jako kryterium poprawności przyjmuje się zgodnośd
zmienności poszczególnych parametrów opisanych przez wartośd
współczynnika korelacji.
Przykładowe wyniki walidacji i weryfikacji oraz opis procedury tworzenia
rozwiązania numerycznego na przykładzie wentylowanych pomieszczeo
oraz zbudowanego modelu energetycznego budynku zaprezentowano
zamieszczono w pracach doktorskich Wydziału Inżynierii Środowiska
Politechniki Wrocławskiej.
Air & Heat – Water & Energy 2011