Zuverlässige Simulationen im Windingenieurwesen

"All models are wrong but some are useful."
Dieses Zitat von George Box lässt sich auf ein Problem der Modellbildung in numerischen Simulationen übertragen. Jede Simulation beinhaltet Näherungen der Realität und verwendet Modelle, sodass letzlich alle Simulationen in gewissem Maß und Umfang falsch sind. Jedoch ist es mit sorgfältiger Arbeit und Expertise auch möglich nützliche Ergebnisse mit Hilfe numerischer Tools zu erhalten.

Relativ schnell und ohne tieferes Fachwissen ist es heutzutage möglich, mit Hilfe von Rechenprogrammen diverse physikalische Phänomene zu berechnen. Leider sind die Fehler, die einer numerischen Berechnung anhaften, oft nicht unerheblich.
Wie realitätsnah nun eine Simulation ist bzw. sein kann steht oft im Hintergrund oder ist gar unbekannt.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass zumindest beim Thema Strömungsdynamik und Fluid-Struktur Wechselwirkung zunächst keiner Software "blind" vertraut werden darf und dass zum Berechnen Expertise im Gebiet der Strömungsdynamik und der Numerik unbedingt vonnöten ist.

Daher stellt das Bestreben nach verlässlichen Simulationsmethoden für Probleme von umströmten Baukörpern ein aktuelles Forschungsthema dar.

Das Thema gliedert sich in drei Schwerpunkte:

- Verifizierung der verwendeten Software

- Validierung

- Quantifizierung und Behandlung von Unsicherheiten

Verifizierung der verwendeten Software

"Prüfen, ob der Computer bzw. die verwendete Software die gegebenen (meist physikalischen) Gleichungen richtig löst." Beim Verifizieren steht somit das Prüfen der Lösung des mathematischen Problems im Vordergrund.

Verifizierung lässt sich weiter unterteilen in zwei Unterpunkte. Der erste Punkt ist die Verifizierung der Software; der zweite Punkt ist die Verifizierung der Lösungen.

Verifizierung der Software beinhatet somit die Überprüfung, ob die Software genau das richtige mathematische Modell abbildet und dieses dann richtig löst. Hierfür eignen sich vor allem Probleme mit analytischen Lösungen.

Verifizierung von Lösungen bestimmt, ob eine Simulation des mathematischen Modells auch ausreichend gut für die gewünschte Anwendung ist.

Validierung

Validierung beinhaltet allgemein eine Bewertung der Simulationsgüte mit Hilfe von Vergleichsexperimenten. Diese werden in der Regel im Windkanal durchgeführt. Hierbei ist es sehr wichtig, dass Simulation und Experiment komplett voneinander getrennt durchgeführt werden, da nur so eine Simulation Vorhersagecharakter bekommen kann und somit einen gewissen Mehrwert aufweist. Im Anschluss kann eine Aussage über die Güte der Simulationsmethoden für das behandelte Problem getroffen werden woraus sich dann ggf. weiterer Entwicklungsbedarf ergibt.

Quantifizierung und Behandlung von Unsicherheiten

Unsicherheiten und Streuungen von diversen Parametern stellen generell eine Herausforderung in Simulationen dar. 

Für aussagekräftige Simulationen müssen nun Möglichkeiten gefunden werden, wie (eigentlich) deterministische Simulationen Unsicherheiten bzw. Streuungen abbilden können.

Hierfür eignen sich beispielsweise diverse Methoden des repräsentativen Samplings.