ГОСТ Р 57700.15-2018

     

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Численное моделирование ламинарных течений вязких жидкостей и газов

Валидация ПО

Numerical modeling of physical processes. Numerical simulation of laminar flows of viscous liquids and gases. Software validation

ОКС 35.020

Дата введения 2019-01-01

 Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Закрытым акционерным обществом "Т-Сервисы" (ЗАО "Т-Сервисы") совместно с Обществом с ограниченной ответственностью "ТЕСИС" (ООО "ТЕСИС")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 700 "Математическое моделирование и высокопроизводительные вычислительные технологии"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 6 февраля 2018 г. N 55-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

Цель валидации программного обеспечения (ПО) компьютерного моделирования (КМ), предназначенного для численного моделирования ламинарных дозвуковых течений жидкости или газа, заключается в подтверждении возможности ПО воспроизводить характеристики реального ламинарного течения жидкости или газа. Валидация такого ПО осуществляется путем решения эталонных задач. Рекомендуемые эталонные задачи перечислены в данном стандарте.

     1 Область применения

Настоящий стандарт определяет общие требования к валидации программного обеспечения компьютерного моделирования, применяемого для численного моделирования ламинарного дозвукового движения (течения) жидкости или газа. Течение может сопровождаться переносом тепла, диффузией компонентов и химическими реакциями. В зависимости от рассматриваемого диапазона условий правильную картину течения можно получать в рамках моделей несжимаемой жидкости, слабосжимаемой жидкости или сжимаемой жидкости. В потоке могут присутствовать сдвиговые слои, пограничные слои и зоны рециркуляции.

Настоящий стандарт применим для валидации программного обеспечения компьютерного моделирования при проведении его сертификации в соответствии с ГОСТ Р 57700.1 и ГОСТ Р 57700.2.

     2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 2.052-2015 ЕСКД Электронная модель изделия. Общие положения

ГОСТ 28195-89 Оценка качества программных средств. Общие положения

ГОСТ Р 8.883-2015 Государственная система обеспечения единства измерений. Программное обеспечение средств измерений. Алгоритмы обработки, хранения, защиты и передачи измерительной информации. Методы испытаний

ГОСТ Р 57188 Численное моделирование физических процессов. Термины и определения

ГОСТ Р 57700.1 Численное моделирование для разработки и сдачи в эксплуатацию высокотехнологичных промышленных изделий. Сертификация программного обеспечения. Требования

ГОСТ Р 57700.2 Численное моделирование для разработки и сдачи в эксплуатацию высокотехнологичных промышленных изделий. Сертификация программного обеспечения. Общие положения

ГОСТ Р 57700.9 Численное моделирование физических процессов. Численное моделирование ламинарных течений вязких жидкостей и газов. Верификация ПО

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

     3 Термины, определения и сокращения

3.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 57188, а также следующие термины с соответствующими определениями (дополнительное пояснение терминов в приложении Б):

3.1.1 вязкая жидкость, вязкий газ: Среда, при движении которой проявляются вязкие эффекты, определяемые величиной динамического коэффициента вязкости.

3.1.2 объект моделирования: Явление, объект или свойство объекта реального мира.

3.1.3 моделирование: Изучение свойств и/или поведения объекта моделирования, выполненное с использованием его моделей.

3.1.4

3.1.5 сжимаемое течение: Течение, в котором влияние зависимости плотности от давления существенно.

3.1.6 слабосжимаемое течение: Один из вариантов дозвукового течения - плотность такого течения зависит от других параметров (температуры, концентрации компонентов среды и т.д.).

3.1.7 несжимаемое течение: Течение, при котором любой вмороженный в жидкость объем не меняет своей величины, при этом вариация плотности по объему среды может быть произвольной.

3.1.8 вмороженный объем: Объем, границы которого движутся вместе с жидкостью.

3.1.9 дозвуковое течение жидкости: Течение, при котором местная скорость жидкости меньше местной скорости звука во всей области расчета.

3.1.10 ламинарное течение: Слоистое течение без случайных пульсаций скорости, давления, температуры и других характеристик течения.

3.1.11 погрешность вычислений: Отклонение численного результата от эталонного, выраженного в некоторой норме.

3.1.12 характеристики течения: Физические величины, позволяющие количественно охарактеризовать рассматриваемое течение: давление, скорость, плотность, температура и др.

3.2 Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

КМ - компьютерная модель;

ОМ - объект моделирования;

ПО - программное обеспечение;

ЭУ - экспериментальная установка.

     4 Общие положения

4.1 ПО, предназначенное для численного моделирования ламинарных течений жидкости или газа, должно адекватно интегрировать по пространству и времени или только по пространству уравнения математической модели, описывающей ламинарное дозвуковое течение жидкости и газа.

4.2 В данном стандарте рассматриваются течения трех типов, являющиеся частными случаями ламинарного дозвукового течения:

- несжимаемое течение;

- слабосжимаемое течение;

- сжимаемое течение.

4.3 Валидация ПО, предназначенного для численного моделирования ламинарных течений жидкости или газа, осуществляется путем решения эталонных задач и тестовых задач, представляющих интерес конечного потребителя ПО КМ (ГОСТ Р 8.883-2015, пункт 6.5.5).

4.4 Результатом решения эталонной задачи являются набор характеристик, определяющих решение задачи. Отклонение численного результата от эталонного, выраженного в некоторой норме, называют погрешностью вычислений. Возможные источники погрешности (причины отклонения) следующие:

- несоответствие математической модели рассматриваемым процессам;

- погрешность в граничных условиях;

- погрешность в начальных условиях;

- погрешность аппроксимации дифференциальных уравнений разностными схемами;

- ошибки округления чисел в компьютере;

- погрешность самого эталонного результата, если он получен экспериментально.

4.5 Несоответствие математической модели рассматриваемым процессам

При упрощении математической модели или при незнании реальных физических процессов в среде точность описания моделью реального течения может быть снижена.

4.6 Погрешность в граничных условиях

Любое численное моделирование ламинарных течений производится в ограниченной области расчета, на границах которой задаются граничные условия. Эти условия не всегда точно соответствуют реальным условиям в соответствующих точках пространства. Например, в численной постановке на входе в расчетную область задается постоянная скорость, тогда как в эксперименте имеет место некоторое распределение скорости по входному сечению. То же самое возможно и с другими характеристиками течения.

4.7 Погрешность в начальных условиях

При решении нестационарных задач правильное задание начальных условий важно для адекватного воспроизведения развития течения во времени. Поэтому при отклонении заданных начальных условий (начальных распределений скорости, давления, температуры и т.д.) от реальных в каждый момент времени будет наблюдаться отклонение значения наблюдаемой характеристики течения от эталонного значения этой характеристики.

4.8 Погрешность аппроксимации дифференциальных уравнений разностными схемами. Дискретизация уравнений математической модели неизбежно вносит погрешность в результат моделирования. Теоретическому рассмотрению данного вопроса посвящено много работ, например [1], [2]. Эта погрешность зависит от используемого численного метода и используемой конечно-разностной схемы. Обычно погрешность метода/схемы выражается как . Здесь - средний размер расчетной ячейки, - шаг интегрирования дифференциальных уравнений по времени. Отсюда следует, что расчетная сетка должна обеспечивать минимальную погрешность аппроксимации дифференциальных уравнений, а в нестационарных задачах шаг интегрирования по времени должен правильно воспроизводить эволюцию рассматриваемого течения. Именно на минимизацию погрешности аппроксимации направлены исследования сходимости решения по сетке и по шагу интегрирования дифференциальных уравнений по времени.

4.9 Ошибки округления чисел в компьютере

Как правило, это не вносит значимой погрешности в результат моделирования, если численный метод интегрирования дифференциальных уравнений устойчив. В противном случае погрешность округления "накапливается", и это может приводить к неустойчивости решения.

4.10 Погрешность самого эталонного результата, если он получен экспериментально

Данный тип погрешности определяется согласно стандартным методикам определения ошибки эксперимента.

     5 Требования к валидации ПО

5.1 Перед валидацией должна быть проведена верификация, применение которой определяется ГОСТ Р 57700.9.

5.2 Точность соответствия результатов решения и эталона не стандартизуется, но определяется потребностями конкретного потребителя данного ПО КМ.

5.3 Цель валидации ПО КМ, предназначенного для численного моделирования ламинарных течений жидкости или газа, заключается в подтверждении возможности ПО воспроизводить определенные особенности течения с определенной точностью, удовлетворяющей потребности конечного пользователя при моделировании ламинарного дозвукового течения жидкости и газа.

5.4 Данный стандарт дает рекомендации по оценке качества ПО КМ, предназначенного для решения практических гидродинамических задач, посредством его валидации (ГОСТ 28195-89, раздел 2).

5.5 Валидация применяется для:

- сертификации ПО КМ;

- проверки соответствия ПО КМ стандартам организации по использованию ПО КМ;

- анализа области применимости ПО КМ, предназначенного для моделирования ламинарных течений, конечным пользователем;