Virtausratkaisijan verifiointi ja validointi

Computational fluid dynamics as an applied science aims to describe the governing equations of a fluid flow in a form implementable on a computer. To reach such a description, a multitude of simplifications and approximations are needed, especially in a case of a turbulent flow. An accurate solution of the smallest turbulent eddies would require a number of numerical operations infeasible in practice. Replacing the accurate governing equations with turbulence models, which fade out the smallest eddies, allows for an application of fluid dynamics in engineering problems. However, such modeling naturally deviates the computed results more or less from real flows. Also, a numerical solution given by a computer does not equal the analytical solution of the governing equations. This is true whether the equations are laws of nature or mere models. Thus, the credibility of a flow simulation is never self-evident, and the evaluation of both computational fluid dynamics codes and individual simulations alike is a necessity sometimes overlooked. The main objective of this master's thesis is the numerical analysis and verificaton of the code FINFLO. The method of the analysis is a comparison with other codes verified in a recent publication. A brief validation study, a comparison of computed and experimental data, is also included. The verification and validation are preceded by a theoretical background overview. This consists of the turbulence models employed and the solution of continuous equations by numerical methods suitable for fluid dynamics. The verification study revealed some unexpected details about the turbulence models and the computer round-off error. After some fixes, the FINFLO code was observed to behave like the other verified codes. This increases the credibility of all the codes reviewed. The validation study provided expected results, demonstrating the limits of the turbulence models used.Virtauslaskenta soveltavana tieteenalana pyrkii saattamaan virtausta kuvaavat luonnonlait tietokoneelle ohjelmoitavaan muotoon. Tämä vaatii joukon yksinkertaistuksia ja oletuksia, eritoten turbulenttisessa virtauksessa, missä pienimpien pyörteitten huomioon ottaminen vaatii kohtuuttomasti laskentatyötä. Vähemmällä päästään soveltamalla tarkkojen luonnonlakien sijaan pyörteet häivyttäviä turbulenssimalleja, mikä mahdollistaa käytännön virtausongelmien ratkaisun säädyllisessä ajassa nykyisillä tietokoneilla, mutta osaltaan etäännyttää laskennan tulosta todellisesta virtauksesta. Valitettavan vähälle huomiolle jää usein myös se, ettei tietokoneen antama numeerinen ratkaisu ole yhtä kuin käytettyjen yhtälöiden analyyttinen ratkaisu, olivat yhtälöt sitten malleja tai luonnonlakeja. Virtauslaskennan tarkkuus ei täten ole mikään itsestäänselvyys, vaan vaatii sekä ohjelmisto- että ongelmakohtaista arviointia. Tämän diplomityön ensisijainen tarkoitus on virtausratkaisija FINFLOn numeerinen tarkastelu, verifiointi, vertaamalla tätä hiljattain julkaistussa artikkelissa verifioituihin muihin ratkaisijoihin. Työ sisältää myös lyhyen validointitutkimuksen eli laskennallisten tulosten vertailun kokeellisiin. Verifiointia ja validointia pohjustetaan käymällä läpi käytetyn turbulenssimallinnuksen perusta sekä jatkuvien yhtälöiden likimääräinen ratkaisu numeerisin menetelmin. Verifiointitutkimus paljasti joitain odottamattomia seikkoja eri turbulenssimalleista ja tietokoneen pyöristysvirheestä. Korjausten jälkeen FINFLOn todettiin lopulta käyttäytyvän samoin kuin vertailuohjelmistojen, kasvattaen näiden kaikkien luotettavuutta. Validointi sujui yllätyksettömämmin, osoittaen käytettyjen turbulenssimallien soveltuvuuden rajat