ГОСТ Р 57700.9-2018

     

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Численное моделирование ламинарных течений вязких жидкостей и газов. Верификация ПО

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

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 49-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

Данный стандарт посвящен требованиям к верификации программного обеспечения компьютерного моделирования (ПО КМ), предназначенного для численного моделирования ламинарных течений жидкости или газа. Целью верификации является подтверждение корректности программной реализации выбранных математических моделей физических процессов. Верификация других функциональных возможностей ПО КМ (ввод-вывод, пользовательский интерфейс и т.д.) рассматривается в ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207. Основной метод верификации ПО КМ - это решение тестовых задач, покрывающих все возможности ПО КМ. Рекомендуемые тесты изложены в настоящем стандарте.

     1 Область применения

Настоящий стандарт определяет общие требования к верификации программного обеспечения компьютерного моделирования, применяемого для численного моделирования процессов, происходящих в жидкости при ее ламинарном дозвуковом движении (течении). 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 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 ИСО/МЭК 12207 Информационная технология. Системная и программная инженерия. Процессы жизненного цикла программных средств

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.

     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 Верификация ПО, предназначенного для численного моделирования ламинарных течений жидкости или газа, осуществляется путем решения тестовых задач.

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

- погрешность аппроксимации дифференциальных уравнений разностными схемами;

- ошибки округления чисел в компьютере.

4.4 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.

4.5 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.

4.6 Если алгебраический решатель имеет собственные настройки, должно быть проведено исследование, имеющее целью обоснование независимости решения от этих настроек.

4.7 Если ПК КМЛТ имеет встроенный автоматический генератор расчетной сетки, должно быть проведено исследование, имеющее целью обоснование корректности его работы при различных значениях управляющих параметров.

4.8 Если ПК КМЛТ имеет возможность расчета в параллельном режиме, должно быть проведено исследование, имеющее целью обоснование независимости результатов расчетов от типа распараллеливания (общая или распределенная память) и от количества процессоров.

     5 Требования к верификации ПО

5.1 Общая верификация программного комплекса компьютерного моделирования ламинарных течений (ПК КМЛТ) описывается в ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207 как процесс подтверждения требований к данному программному комплексу. Для верификации ПК КМЛТ возникают дополнительные требования по верификации математической модели ламинарного течения жидкости, расчетных схем, вычислительных алгоритмов, генераторов расчетных сеток, систем отображения (визуализации данных), которые лежат в основе ПК КМЛТ.

5.2 Цель верификации ПО, предназначенного для моделирования ламинарных течений (кроме оговоренных в ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207), - удовлетворить требования по верификации математической модели ламинарного движения жидкости, расчетных схем, вычислительных алгоритмов и генераторов расчетных сеток.

5.3 Для выполнения процесса верификации ПК КМЛТ необходимо:

- выбрать метод верификации и обосновать его;

- выбрать список тестов для верификации и обосновать его с точки зрения покрытия всех требований по моделированию течений ПК КМЛТ;