Weicht ein CFD-Ergebnis von der Messung ab, gibt es zwei Kandidaten: Vielleicht lösen Sie die Zahlen falsch, oder Sie lösen die falschen Gleichungen. Das sind verschiedene Dinge und verlangen verschiedene Antworten.
Wie man sie unterscheidet: Netz ändern, Modell behalten
Der numerische Fehler nimmt mit der Netzverfeinerung systematisch ab und geht gegen null. Der Modellfehler tut das nicht — er bleibt gleich, wie fein das Netz auch wird, weil seine Quelle nicht die Diskretisierung, sondern die Schließungsannahme ist.
Die praktische Reihenfolge:
- Netzunabhängigkeit nachweisen (und Zeitschrittunabhängigkeit, wenn instationär). Die verbleibende Differenz ist dann nicht numerisch.
- Erst dann das Modell wechseln — Turbulenzmodell, Wandbehandlung, Strahlungsmodell. Ändert sich das Ergebnis, ist diese Differenz die Modellunsicherheit.
Diese Reihenfolge umzukehren ist der häufigste Fehler: Turbulenzmodelle zu wechseln, ohne Netzunabhängigkeit gezeigt zu haben, und zu erklären „dieses Modell stimmte besser überein", vermengt Modellfehler mit Netzfehler. Siehe die Notiz zu Verifizierung und Validierung.
Das gefährliche Szenario: Fehler, die einander verdecken
Hebt der Netzfehler das Ergebnis an und zieht der Modellfehler es herunter, landet die Summe sehr nahe an der Messung. Die Studie sieht erfolgreich aus, und dann zerfällt die Übereinstimmung beim Verfeinern des Netzes — weil sie ein Zufall war.
Deshalb ist „stimmt bis auf 2 % mit der Messung überein" kein Qualitätsbeleg, solange die Netzunabhängigkeit nicht gezeigt ist.
Ein dritter Kandidat: Eingabefehler
Die zwei Kandidaten sind in Wahrheit drei. Die Quelle der Abweichung kann auch eine Randbedingung, ein Stoffwert oder eine Geometrieabweichung sein — und in industriellen Aufgaben ist dieser dritte Posten oft der größte. Bevor Sie das Modell beschuldigen, prüfen Sie, ob die Eingaben dem gemessenen Zustand entsprechen. Siehe die Notiz zu Randbedingungen und die Notiz zu signifikanten Stellen.
Referenzen
- Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130(7), 078001. DOI: 10.1115/1.2960953
- ASME (2009, R2021). V&V 20 — Standard for Verification and Validation in Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer. American Society of Mechanical Engineers, New York.
- Roache, P. J. (1994). Perspective: A method for uniform reporting of grid refinement studies. Journal of Fluids Engineering, 116(3), 405–413. DOI: 10.1115/1.2910291