Eignungsüberprüfung von Brandsimulationsprogrammen

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1 Eignungsüberprüfung von Brandsimulationsprogrammen Konzeptvorstellung Matthias Münch INURI GmbH Haderslebener Str Berlin vfdb-workshop Brandschutzforschung Magdeburg, Oktober 2010

2 Eignungsüberprüfung von CFD-Programmen Konzeptvorstellung Inhaltsübersicht: 1. Kurzvorstellung der INURI 2. Struktur- und Konzeptvorstellung 3. Anwendung 4. Zusammenfassung INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 2

3 Vorstellung der INURI Ziele & Tätigkeiten Simulationsmethoden in Brandschutz und Gefahrenabwehr Arbeitsschwerpunkte Programmüberprüfung Eigene CFD-Programme Numerische Verfahrensentwicklung Dienstleistungen Beratung und Begutachtung Unterstützung von FuE-Projekten Aus- und Fortbildungsangebot Publikationen INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 3

4 Vorstellung der INURI Aufbau & Organisation INURI = Interessengruppe + GmbH 1. Interessensgruppe Netzwerk von Experten Interdisiziplinäre Zusammensetzung Wissenschaft & Praxis Wissens- und Erfahrungspool 2. GmbH Plattform für wirtschaftliche Aktivitäten Zentraler Ansprechpartner Arbeit in Projektteams Veranstalter für Seminare und Schulungen INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 4

5 Überprüfung von CFD-Programmen Qualifizierung, Verifikation & Validierung V & V Prozess nach [Schlesinger 1979] Modellvalidierung Modellqualifizierung Realität Analyse Modellverifizierung Modellierungskonzept - physikal. Modell - Diskretisierung Computerprogramm Programmierung Simulationsrechnung INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 5

6 Überprüfung von CFD-Programmen Komponententest Komponenten eines Programms Physikalische Submodelle Turbulenz Strahlung Offene Randbedingungen... Datenhandhabung Strukturen Parallelisierung Lastverteilung... Numerische Algorithmen Flusslimiter Zeitintegration Lineare algebraische Löser... Gitterhandhabung Gitterstruktur Gebietszerlegung Gitterverfeinerung... INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 6

7 Überprüfung von CFD-Programmen Komponententest Kopplung der Komponenten Beispiel: FUN3D flow solver [Kleb and Wood, 2004] enthält 24 Komponenten Interaktion der Komponenten Domain decomposition Grid movement Preprocessing Flux jacobians Gas chemistry Preconditioners Turbulence model Flux limiter Postprocessing Load balancing Convergence acceleration Time relaxation Flux reconstruction Grid sequencing Multiprocessing Transport properties Time integration Grid adaptation Entropy fix Data structures Boundary conditions Governing equations Flux functions Transition model Figure 1: Components interactions in the FUN3D flow solver. INURI GmbH As the number of components increases, the interactions grow as n 2 /2. The task of finding an error in a system of interrelated components is daunting, but this task becomes untenable if the components have not already been independently verified. Haderslebenerstr. Verification of this complex 9, system Berlin must proceedwww.inuri.de Seite 7

8 Überprüfung von CFD-Programmen Komponententest Kopplung der Komponenten Beispiel: FUN3D flow solver [Kleb and Wood, 2004] enthält 24 Komponenten Interaktion der Komponenten Domain decomposition Grid movement Preprocessing Flux jacobians Gas chemistry Preconditioners Turbulence model Flux limiter Postprocessing Load balancing Convergence acceleration Time relaxation Flux reconstruction Grid sequencing Multiprocessing Transport properties Time integration Grid adaptation Entropy fix Data structures Boundary conditions Governing equations Flux functions Transition model Figure 1: Components interactions in the FUN3D flow solver. 1 Fehler pro 170 Programmzeilen [Hatton, 1997] As the number of components increases, the interactions grow as n 2 /2. The task of finding an error in a system of isolierte interrelated components Tests is daunting, von but this Programmkomponenten task becomes untenable if the components have not already been independently INURI GmbH verified. Haderslebenerstr. Verification of this complex 9, system Berlin must proceedwww.inuri.de Seite 8

9 Überprüfung von CFD-Programmen Strukturierung Klassifizierung der Vergleichsdaten A Analytische Tests Aufgrund theoretischer Überlegungen ist das Ergebnis bekannt. SE Semi-experimentelle Tests Experimentelle Untersuchungen spezieller Konfigurationen für einzelne physikalische Prozesse. N E Numerische Tests Numerische Vergleichsrechnungen mit qualitativ hochwertigeren Programmen. Experimentelle Tests Experimente / Brandversuche, Small- als auch Full-Scale. INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 9

10 Überprüfung von CFD-Programmen Strukturierung Klassifizierung des Testziels Festlegung der abzuprüfenden Programmeigenschaften hinsichtlich: G: Gebietszerlegung / Multiblock K: Ordnung und Konvergenz P: Parallelisierung R: Randbedingung S: Symmetrie... INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 10

11 Überprüfung von CFD-Programmen Strukturierung Testmatrix (Beispiel) Test Typ Physikal. Komponenten Gasdynamik Gravitation Viskosität Diffusion Turbulenz Strahlung Wärmeübergang Verbrennung Strukturtest Kanal A G,K Hydrostatik A R,K Normblende N R,K INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 11

12 Projekt Verbesserung des Fire Dynamics Simulator 1. Strukturprobleme im hydrodynamischen Löser Ursache: explizites FFT Verfahren im Drucklöser Folge: Falsche Lösungen im Multi-Mesh Fall 2. Gemeinsame Initiative Susanne Kilian: SCARC Verfahrensimplementierung INURI: Teststrategie und Qualitätssicherung 3. Implementierung von SCARC in FDS Programmierung Verifikation & Validierung Veröffentlichungen A new generalized domain decomposition strategy for the efficient parallel solution of the FDS-pressure equation Part I : Theory, Concept and Implementation, ZIB-Report ZR Part II: Verification and Validation, ZIB-Report ZR INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 12

13 Überprüfung FDS Beispiel: Kanal ( 1 Mesh) Test FDS-Hydrodynamik (Kanalströmung) konstante Dichte ohne Turbulenzmodell Kanal Links: Einströmung u(t) = u 0 sin(2πt) Rechts: Offener Rand Kontrollgröße: Druckdifferenz p u(t) Analytische Lösung: d dt ρ v dv = p n da p = ρ u 0 2 π cos(2πt)l V A INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 13 L

14 Überprüfung FDS Beispiel: Kanal ( 1 Mesh) Test FDS-Hydrodynamik (Kanalströmung) Mittlere Druckdifferenz (FDS ver rev 5210) u(t) = u 0 sin(2πt) mit u 0 = 1 m s ρ = kg m 3 x = 0.01m L = 0.8m INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 14

15 Überprüfung FDS Beispiel: Kanal ( 1 Mesh) Test FDS-Hydrodynamik (Kanalströmung) Mittlere Druckdifferenz (FDS ver rev 5210) u(t) = t ρ = kg m 3 x = 0.01m L = 0.8m INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 15

16 Überprüfung FDS Beispiel: Kanal ( 1 Mesh) Test FDS-Hydrodynamik (Kanalströmung) Position des Messpunktes &DEVC L L x p exact = ρ u 0 L p numeric = ρ u 0 (L x) u(t) x L face-centered cell-centered x 2 &DEVC XB= x0, x1, y0,y1, z0, z1, QUANTITIY= PRESSURE INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 16

17 Überprüfung FDS Beispiel: Kanal ( 1 Mesh) Test FDS-Hydrodynamik (Kanalströmung) Mittlere Druckdifferenz (korrigierte FDS Version) u(t) = u 0 sin(2πt) mit u 0 = 1 m s ρ = kg m 3 x = 0.01 m L = 0.8 m x INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 17

18 Überprüfung FDS Beispiel: Kanal ( Multi Mesh) Test FDS-Hydrodynamik (3D Kanalströmung) konstante Dichte ohne Turbulenzmodell Kanal Links: Einstömung u(t) = u 0 t Rechts: Offener Rand Kontrollgröße: Druckdifferenz p subdomain 1 subdomain 2 subdomain 10 Analytische Lösung: d dt V ρ v dv = A p n da p = ρ u 0 L u p numerisch = ρ u 0 (L x) INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 18 L

19 Überprüfung FDS Beispiel: Kanal ( Multi Mesh) Test FDS-Hydrodynamik (3D Kanalströmung) Mittlere Druckdifferenz (FDS-FFT ver 5.5.2) INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 19

20 Überprüfung FDS Beispiel: Kanal ( Multi Mesh) Test FDS-Hydrodynamik (3D Kanalströmung) Mittlere Druckdifferenz (FDS-SCARC ver 5.5.2) INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 20

21 Überprüfung FDS Beispiel: Kanal ( Multi Mesh) Test FDS-Hydrodynamik (3D Kanalströmung) Mittlere Druckdifferenz (FDS-FFT (tol=10 2 ) ver 5.5.2) INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 21

22 Überprüfung FDS Beispiel: Normblende Test FDS Offene Randbedingung konstante Dichte Links: Einströmung u = const. Rechts: Offener Rand Kanal mit Blende u 3L offener Rand Ziel: Untersuchung von Randeffekten u L INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 22

23 Überprüfung FDS Beispiel: Normblende Test FDS Offene Randbedingungen INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 23

24 Überprüfung FDS Beispiel: Normblende Test FDS Offene Randbedingungen Reflektion von Wirbeln am offenen Rand INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 24

25 Überprüfung FDS Beispiel: Normblende Vergleich mit CFD-Code MOLOCH Darstellung: Wirbelstärke und Geschwindigkeit INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 25

26 Zusammenfassung Voraussetzung für gute Ergebnisse Gut geprüfte Programme 1. Qualifizierung, Verifizierung und Validierung 2. Numerische Qualitätskriterien 3. Komponententests 4. unterschiedliche Vergleichsdaten 5. Dokumentation INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 26

27 Zusammenfassung Voraussetzung für gute Ergebnisse Gut geprüfte Programme 1. Qualifizierung, Verifizierung und Validierung 2. Numerische Qualitätskriterien 3. Komponententests 4. unterschiedliche Vergleichsdaten 5. Dokumentation Gut ausgebildete Anwender Physikalische Grundlagen Numerische Grundlagen Expertise im Anwendungsgebiet INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 27

28 Herzlichen Dank INURI GmbH Haderslebener Str. 9, Berlin Eine Ausgründung der Freien Universität Berlin INURI GmbH Haderslebenerstr. 9, Berlin Seite 28

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