CFD的确认与验证(Verification and Validation of Computational Fluid Dynamics)

目录

1、综述

2、CFD分析过程

3、CFD仿真中的不确定因素及误差

4、确认评估（Verification Assessment）

5、验证评估（Validation Assessment）

6、迭代收敛性评价

7、结果一致性评价

8、网格（空间）收敛性评价

9、时间收敛性评价

 

综述

本文对CFD确认与验证的基本过程做了介绍。主要目的是为了表明CFD代码/程序的精度，让大家能够在空气动力学仿真中自信的使用它们，且在设计中做决定的时候认为结果是可信的。

那么首先要了解代码/程序、仿真和模型的不同之处。

1、代码/程序：代码是计算机指令、数据输入和定义的集合。如CFD代码/程序（WIND、OVERFLOW、USM3D，...）就是包含了ASCII代码和文档的程序包。代码/程序根据其验证完成情况的不同可以分为三个层级：研究级（research）、Beta级（pilot）和产品级（product）。产品级的代码/程序已经对既定的设计对象进行了充分的验证，包括系统级别的验证。

2、仿真：仿真的定义是对模型的运用。对CFD分析来说，运行CFD代码/程序就是仿真。

3、模型：模型的定义是对物理系统或者过程的表示，以加强我们对其理解、预测或者控制的能力。

从本质上讲（他们存在这样的关系），将模型转化为计算机代码/程序，然后使用代码/程序来做CFD仿真，得到用于工程分析的结果。而确认与验证则是评价代码/程序和仿真结果的误差。

可信度通过论述不确定性和误差的可接受程度来获得。对CFD仿真的不确定性和误差的讨论见第3章的讨论。不确定性和误差的程度的讨论见第4章（确认评估Verification Assessment）和第5章（验证评估Validation Assessment）

确认评估决定了理想模型的程序和计算实施的正确与否。它通过与理论结果的对比评价模型的数学正确性。确认评估用于评价程序的误差。

验证评估决定了计算仿真结果与真实物理的符合程度。它通过与试验结果的对比评价模型的科学正确性。

CFD仿真的确认与验证的严格过程是怎样的？这仍然存在分歧。CFD是一项成熟但处于蓬勃发展中的技术，是涉及强耦合、非线性偏微分方程求解的复杂技术，它试图将计算模型理论和试验模型用于复杂几何外形的离散域。一项详细的关于不确定性和误差评估工作应该将其与CFD的三个根本——理论、试验和计算——联系起来。随着计算资源的增加，未来CFD的应用也将快速的增长起来。本文根据AIAA建立的确认与验证指南【1】做了阐述。请注意，这仅仅是一个指南，而非标准。在目前也没有关于CFD仿真确认与验证方面的标准。一些研究学者关于这个主题的其他观点在本文中也有涉及。

由于CFD代码/程序自身的复杂性和可能应用领域的增长，确认与验证工作也处于持续发展中。一些基本的确认应先于代码/程序发布之前进行，而针对不同的流动类型的验证应先于将程序应用于相似的流动问题。然而，随着代码/程序的发展，确认与验证工作也应继续进行。

CFD结果的使用

CFD分析所需的精度层级取决于结果的使用。概念设计阶段，可能更关注总的激波结构信息，而详细设计阶段，则需要获得精确的恢复压力。每一个待决定的量对精度都有其自身的要求。可信度的层级则根据信息需求的不同而变化。

根据需求精度的不同，CFD用于设计和分析大致可以分为三个层级。

1、给出量级信息。CFD给出试验方法所不能提供的整个流场细节，这对于了解流场中物理量的分布情况很有用。这个时候，精度要求是比较低的。

2、给出增量信息。CFD对试验结果进行修正，这相较于CFD方法得到的结果具有更高的精度。因为做差分的时候有舍入部分的误差存在。例如，有一个相对于已知基准值的设计变化，基准值叫为Pbaseline，那么P的变化可以表示为：

P=Pbaseline+dP
其中dP是由于设计变化引起的P的变化的增量。如果进行两个CFD仿真（第一个是基本构型和第二个是变化后的构型）的物理量P由于涉及变化引起的增量可以表示为：

dP=(P+E)2-(P+E)1=dPactual+dE
其中E为由CFD仿真得到P时所带来的误差。可以看出，误差的增量是dE，但该项却被忽略掉了。

3、给出绝对量。获得物理量P的绝对值所需要的精度层级最高。对精度的要求事实上是设计过程的一部分，由CFD仿真得到的精度随着量的特点的不同而发生变化，因此，没有可能将所有的物理量限定在某个精度或者误差带内。但下面关于网格收敛性研究的确认方法能够给计算提供一个误差带。

流场特性

在将CFD应用于典型的航天系统流动分析时，首先我们必须了解流场特性。我们必须了解我们验证CFD代码/程序和过程中的真实情况。如以下情况：

流场的主要特征可以用马赫数刻画。我们关注的是分析流动马赫数范围，如从0（静止）到25（高超声速）。

流场中表现高雷诺数的区域是由层流向湍流（紊流）转变的区域。沿着物体和入口物面流动产生边界层。逆向压力梯度则可能出现在内流中。在跨声速、超声速和高超声速流动中，会有激波产生。在这些情况下，边界层可能会有分离。

当流动为高马赫数时，真实气体效应会变得重要起来。这时候需要使用化学模型来描述理想气体的热量与加热，平衡气体和气体混合的化学反应。

通常几何模型是很复杂的，需要物理建模。

非定常流动特性也许会越发重要。

物理模型

CFD代码/程序中广泛使用下面的物理模型。如：

1、空间尺度。进气道几何模型使用二维或者轴对称而不是完整的三维模型。

2、时间尺度。可以假设定常流动或者尝试捕捉时间的变化。

3、N-S方程。N-S方程是连续流的控制方程，粘性和热传导效应也考虑在内。如果不考虑这些因素的话，可以使用无粘方程。

4、湍流模型。有各种各样的数值上的带有各种参数的一方程，二方程湍流模型和自由来流边界田间。也有壁面函数的选项。

5、热动力学和输运特性。热动力学和输运特性之间的关系通常是常数，代数方程或者拟合曲线的关系。

6、气体化学模型。进气道流动一般涉及由理想气体状态方程充分描述理想气体热。当温度很高时（大于700K），可能需要使用理想加热气体，平衡气体或者化学反应气体（大于2000K）模型。

7、流场边界条件。包括亚声速和超声速自由流动入口和出口。

8、吹/吸。能够当做质量流量边界或者多空边界处理。另一种方法则是将其处理为真实的几何模型孔。

9、流动控制设备。流动控制很重要且发展了一些新的技术。涡流发生器是在进气道中使用的最重要的流动控制设备。他们可以通过建模或者几何模型的近似处理。

 

 

[1] AIAA, "Guide for the Verification and Validation of Computational Fluid Dynamics Simulations," AIAA G-077-1998, 1998.