Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos Verificación y Validación Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos CONTENIDO • • • • • Introducción Proceso de simulación Fuentes de incertidumbre y error Definiciones: Verificación y Validación Chequeo de procesos – – – – Inspección p del p proceso de convergencia g Inspección de la consistencia de la solución Inspección de la convergencia de la malla Inspección de la convergencia temporal • Bibliografía (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos INTRODUCCIÓN • • • • (JMT) CFD entraña la resolución de sistemas de ecuaciones parciales sobre dominios diferenciales en derivadas p complejos, en las que aparecen gran disparidad de escalas tanto espaciales como temporales Existe cierta confusión en q que y como asegurar g la calidad de los resultados obtenidos mediante CFD V&V examina las fuentes de error. La Verificación asegura que la programación e implementación del modelo conceptual es correcta. La Validación determina si la simulación obtenida se parece a la realidad El objetivo final es asegurar la confianza en los resultados obtenidos para que puedan ser utilizados en tareas de análisis y diseño Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos BIBLIOGRAFIA Roache, P. Roache P J., J Verification and Validation in Computational Science and Engineering, Hermosa Pub.,Alburquerque, New Mexico, 1998. AIAA, Guide for the verification and validation of comp tational flfluid computational id d dynamics namics simulations sim lations G G-077, 077 1998 1998. http:///www grc nasa gov/WWW/wind/valid/tutotial http:///www.grc.nasa.gov/WWW/wind/valid/tutotial (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos INTRODUCCIÓN: Resultados del CFD La utilización de resultados obtenidos mediante CFD en tareas de análisis y diseño en ingeniería puede clasificarse d fforma generall en ttres niveles: de i l – Obtener información cualitativa Se obtiene S bti lla morfología f l í d dell campo flfluido, id lla aparición i ió o no d de diferentes estructuras y un conocimiento conceptual de su origen y efecto. En ocasiones aporta detalles difícilmente alcanzables para la experimentación – Obtener valores incrementales Es posible obtener resultados de alta calidad cancelando parcialmente los errores actuando por comparación entre dos casos de simulación – Obtener Ob V Valores l absolutos b l Es el nivel mas exigente. La precisión de lo obtenido a menudo depende de la naturaleza de la variable. No siempre es posible aplicarlo. (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos INTRODUCCIÓN: Características del flujo La complejidad de la solución obliga que para hacer una adecuada interpretación de la calidad de los resultados obtenidos se deben entender las características del flujo: – El número ú d de M Mach hd determina i sii ell flflujo j es subsónico, b ó i supersónico o en régimen hipersónico. – El número de Reynolds determina el carácter laminar/turbulento del flujo e interacciona directamente con el anterior – Por último, deben ser incluidos otras características como, por ejemplo, efectos de gas real, reacción química, geometría compleja, efectos no-estacionarios, etc.. (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos INTRODUCCIÓN: Modelos físicos Dimensión espacial: Utilización de simetrías y situaciones bidimensionales Dimensión temporal: Estacionario vs. No-estacionario Términos difusivos: Diferentes grados de aproximación desde noviscoso (Eq. Euler) a ecuaciones de Navier-Stokes completas Modelos de turbulencia: Desde los modelos algebraicos a los SRM, desde funciones de pared a los modelos de integración detallados Propiedades termofísicas: Desde el modelo de gas perfecto a complejas descripciones de las relaciones termodinámicas y propiedades de transporte Modelos de reacciones químicas: Transporte de especies y términos de reacción reacción. Además Además, la interrelación con otros modelos Condiciones de contorno: Entradas sub/supersónicas, paredes porosas, contornos lejanos, p j etc.. (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos PROCESO DE SIMULACIÓN En general, para llevar a cabo un proceso de simulación en y que q seguir g los siguientes g p pasos Mecanica de Fluidos hay ¾Formulación del problema ¾Modelado geométrico y definición del dominio fluido ¾Establecimiento de condiciones de contorno e iniciales ¾Generación de la malla de cálculo ¾Establecer la estrategia de simulación ¾Realizar la simulación ¾Monitorizar la simulación ¾Procesar los resultados ¾Analizar y comparar los resultados ¾Repetir el proceso en un análisis de sensibilidad ¾Emitir un informe (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos PROCESO DE SIMULACIÓN F Formulación l ió del d l problema bl ¿Cuál es el objetivo del análisis? ¿Cuál C ál es ell camino i mas sencillo ill para alcanzar l ell objetivo? bj ti ? ¿Qué geometría debe ser incluida? Interacción con sistemas CAD Aproximaciones/Simplificaciones ¿Cuáles son las condiciones de operación? ¿Cuántas dimensiones deben ser tenidas en cuenta? 1-D, cuasi 1-D, 2-D o 3-D S et as/ e od c dad Simetrias/Periodicidad ¿Qué evolución temporal debe utilizarse? Estacionario/No estacionario ¿Qué características del flujo deben tenerse en cuenta? Incompresible/Compresible Subsónico/Supersónico No viscoso/laminar/turbulento ¿Qué modelos para el fluido se deben tener en cuenta? (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos FUENTES DE INCERTIDUMBRE Y ERROR INCERTIDUMBRE: Una deficiencia potencial en alguna fase o actividad del Proceso de Simulación que es debida a falta de conocimiento ERROR: Una deficiencia identificada en alguna fase o actividad del Proceso de Simulación que es debida a falta de conocimiento En experimentación p el error es la diferencia entre el valor medido y el real (además, la incertidumbre es la estimación del error), es decir, un número no un concepto al no conocer el valor exacto (JMT) Hay ERRORES IDENTIFICADOS, como los de redondeo o discretización y ERRORES NO NOIDENTIFICADOS como los debidos a mala utilización de las herramientas La falta de conocimiento es un concepto t relacionado l i d con ell conocimiento limitado de la exacta naturaleza de los procesos físicos que tienen lugar: Turbulencia, reacciones químicas, etc… Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos FUENTES DE INCERTIDUMBRE Y ERROR clasificación l ifi ió de d los l errores ERROR NUMÉRICO ERROR IDENTIFICADO Convergencia de la malla (espacial y/o temporal) Error en el modelo Calidad de la malla (resolución, alargamiento, ortogonalidad etc…) ortogonalidad, etc ) Modelo físico Modelos geométrico Error de redondeo (ordenador) Error de convergencia Error de discretización (error numérico) ERROR NO-IDENTIFICADO Error de programación Error de utilización (JMT) Interpolación/extrapola ción en discontinuidades o contornos Representación R t ió de d ondas de choque, cortaduras, etc.. Error de truncación Fuentes de error dispersivas o disipativas Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos Definiciones: Verificación y Validación VERIFICACIÓN El proceso que d determina t i que lla iimplementación l t ió d de un modelo representa con precisión la descripción conceptual que el desarrollador tiene del modelo y su solución (AIAA G-077-1998) VERIFICACION DEL PROGRAMA: Primero evaluación de errores de implementación. Chequeos de consistencia (por ejemplo conservación de la masa) Refinados de la malla, activación o desactivación de términos y otras técnicas tratan de aislar los diferentes fuentes de error para que no se enmascares unas con otras VERIFICACION DEL CALCULO: Estudio de convergencia de la malla del proceso de iteración y de integración temporal (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos Definiciones: Verificación y Validación VALIDACIÓN El proceso que d determina t i ell grado d en ell que un modelo d l es preciso representando el mundo real desde la perspectiva del modelador (AIAA G-077-1998) EXAMEN DE CONVERGENCIA (ESPACIAL, TEMPORAL Y DE ITERACIÓN) Y CONSISTENCIA: Se repiten las actividades reseñadas para la Verificación del código pero realizando un chequeo desde el punto de vista de la física implicada en los modelos COMPARAR CON RESULTADOS EXPERIMENTALES: Es el objetivo últi último all que h hay que añadir, ñ di sin i embargo, b llos errores d de llos d datos t experimentales y el analisis de su aplicabilidad EXAMEN DE LAS INCERTIDUNBRES (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos Verificación & Validación VALIDACIÓN ~ Resolver las ecuaciones adecuadas Ámbito científico/ingeniería g VERIFICACIÓN ~ Resolver las ecuaciones adecuadamente Ámbito matemático/informático CERTIFICACIÓN Documentación, calidad, control de versiones, standares, auditorias,… (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos Verificación & Validación CUALIFICACIÓN MODELO CONCEPTUAL análisis MUNDO programación VERIFICACIÓN REAL simulación MODELO VALIDACIÓN (JMT) INFORMÁTICO Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos VALIDACIÓN: Datos Experimentales BATERIA DE DATOS EXPERIMENTALES Problemas simples: Geometrías extremadamente sencillas que analizan un solo fenómeno físico. Por ejemplo, una placa plana con una capa limite turbulenta. Casos de referencia: Geometrías sencillas en las que se analizan un pareja y su interacción de fenómenos físicos. Por ejemplo interacción onda de choque - capa limite. Sistemas simples: Geometrías moderadamente complicadas con situaciones it i fí físicas i completas. l t P Por ejemplo j l una cascada d bidi bidimensional i ld de alabes de compresor Sistemas completos: Geometría real y modelo físico completo. El nivel p j q que normalmente exige g experimentos p muy y máximo de complejidad costosos y de objetivo dedicado a la Validación. Por ejemplo, calculo tridimensional en escalones de turbomaquinaria con y sin interacciones. (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E T. E. T S. S I. I Aeronáuticos CHEQUEO DE PROCESOS • Inspección p del p proceso de convergencia g – RESIDUALES – RESULTADOS • Inspección de la consistencia de la solución – Masa, resistencia, etc.. • Inspección de la convergencia temporal – Sensibilidad al paso de tiempo • Inspección I ió d de lla convergencia i d de lla malla ll (JMT) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propusión