Richtig schnell rechnen

Transkript

1 Vorstellung einer neuen ntiative nteressengruppe Numerische Risikoanalyse NUR GmbH, Haderslebener Str. 9, Berlin 3. FDS Usergroup Treffen Berlin, Oktober 2009

2 nhalt nhaltsübersicht: 1. Motivation 2. Ziele der nitiative 3. Verifikation und Validierung (Struktur- und Konzeptvorstellung) 4. Publikationen Seite 2

3 Motivation Beispiel: Schacht Gebietszerlegung Fire Dynamics Simulator Schachtgeometrie Wärmequelle am Boden Meßgröße Temperatur horizontale Zerlegung Seite 3

4 Ziele der nitative 1. mplementierung von ScaRC in den FDS Sourcecode Programmierung (Susanne Kilian, hhpberlin) dentifikation von Fehlern / Querabhängigkeiten 2. Verifikation und Validierung von FDS-ScaRC Definition einer Testmatrix Vergleich mit anderen Codes dentifikation weiterer Fehler Zusammenarbeit mit FDS-Entwicklern (NST) 3. Publikation von Basis-Artikeln zu FDS-ScaRC Seite 4

5 Begriffe V & V Prozess nach [Schlesinger 1979] Modellqualifizierung Realität Analyse Modellvalidierung Simulationsrechnung Modellierungskonzept - physikal. Modell - Diskretisierung Programmierung Computerprogramm Modellverifizierung Seite 5

6 Kopplung von physikal. + chem. Prozessen Kopplung: Turbulenz - Strahlung - Verbrennung Hohe räumliche und zeitliche Auflösung erforderlich Nichtlineare Kopplung Verbrennung Energiefreisetzung Gaskonzentrationen Turbulenz Fluidbewegung Örtliche Mischung Wärmestrahlung Wärmetransport Seite 6

7 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... Seite 7

8 Komponententest Kopplung der Komponenten Beispiel: FUN3D flow solver [Kleb and Wood, 2004] enthält 24 Komponenten nteraktion der Komponenten Grid movement Flux jacobians Preprocessing Gas chemistry Preconditioners Domain decomposition Turbulence model Flux limiter Postprocessing Load balancing Convergence acceleration Time relaxation Flux reconstruction Grid sequencing Multiprocessing Grid adaptation Transport properties Time integration Transition model Entropy fix Data structures Boundary conditions Governing equations Flux functions Figure 1: Components interactions in the FUN3D flow solver. As the number of components increases, the interactions grow as n2 /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 of thisrechnen complex system must proceed in verified. Verification Richtig schnell Seite 8

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

10 Testmatrix 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 Numerische Tests Numerische Vergleichsrechnungen mit qualitativ hochwertigeren Programmen. E Experimentelle Tests Experimente / Brandversuche, Small- als auch Full-Scale. Seite 10

11 Testmatrix Klassifizierung des Testziels Festlegung der abzuprüfenden Programmeigenschaften hinsichtlich: G: Gebietszerlegung / Multiblock K: Ordnung und Konvergenz P: Parallelisierung R: Randbedingung S: Symmetrie... Seite 11

12 Testmatrix Testmatrix (Beispiel) X X X X X X X Strukturtest Verbrennung Wärmeübergang Strahlung Turbulenz Diffusion A SE N Viskosität Pipe Orifice Orifice Physikal. Komponenten Gravitation Typ Gasdynamik Test G,K R,K R,K Seite 12

13 Beispiel: Pipe Test FDS-Hydrodynamik (Kanal) ohne Turbulenzmodell Links: Einströmung u(t) = u0 sin(2πft) Rechts: Offener Rand Kontrollgröße Druckänderung p subdomain 1 subdomain 2 subdomain 10 Kanal u Analytische Lösung: d dt Z V ρ~v dv = L p ~n da p = ρ u0 2πf cos(2πft)l A Seite 13

14 Beispiel: Orifice Test FDS-Hydrodynamik (Normblende) ohne Turbulenzmodell Links: konstante Einströmung Rechts: Offener Rand Kontrollgröße Druckverlust D d Kanal mit Normblende u Empirische Lösung: 2 pv = ζ ρ u2 Widerstandszahl ζ = f (d/d) experimentell ermittelt Keine geeigneten Experimentalwerte verfügbar! Seite 14

15 Beispiel: Orifice Test FDS-Hydrodynamik (Normblende) Darstellung des Geschwindigkeitsfeldes Seite 15

16 Beispiel: Orifice Test FDS-Hydrodynamik (Normblende) Reflektion von Wirbeln am offenen Rand Ursache: Fehlerhafte Randbedingung Seite 16

17 Beispiel: Orifice Test MOLOCH: Hydrodynamik (Normblende) Darstellung des Geschwindigkeitsfeldes Seite 17

18 Verifikation und Validierung Datenausgabe Problem Ausgabe und Visualisierung der FDS Daten teilweise ungeeignet Lösung mplementierung einer eigenen Datenausgabe im SLO-Datenformat Seite 18

19 Verifikation und Validierung Datenausgabe Seite 19

20 Verifikation und Validierung Offen Ausblick Ausbau der Testmatrix Einbindung der vorhandenen NST-Testfälle Automatisierung von V&V Überprüfungen Zielgruppen gerechte Publikationen Seite 20

21 Publikationen Ziele Dokumentation Veröffentlichung Vorträge und Artikel Sprache: Deutsch und Englisch 1. Kilian, S.; Münch, M.: A new generalized domain decomposition strategy for the efficient parallel solution of the FDS-pressure equation. Part : Theory, Concept and mplementation., Konrad-Zuse Zentrum für nformationstechnik, 2009, 30 p., ZB-Report 09-19, SSN: n Vorbereitung: Part : Verification and Validation Seite 21

22 Herzlichen Dank NUR GmbH Haderslebener Str. 9, Berlin Eine Ausgründung der Freien Universität Berlin Seite 22