多物理程式正確性驗證與可信度確認方法研究

《多物理程式正確性驗證與可信度確認方法研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由王瑞利擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多物理程式正確性驗證與可信度確認方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王瑞利
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

在國防重大科學與工程高端套用領域，許多現象與事件都是多物理耦合的複雜過程。多物理程式建模與模擬的正確性驗證技術與可信度確認方法已成為阻礙科學理論探索、工程精密化設計和系統性能評估的絆腳石，嚴重製約著高端套用領域自主創新的能力。美國推出ASC 等一系列宏偉計畫，其目的就是要發展強預測能力的高可信度套用軟體。本項目提出將多物理程式研發涉及的物理建模、計算方法與程式研製一體化考慮，研究多物理程式檢查點及功能點細化原則，構建多物理程式建模與模擬驗證與確認的基本框架和流程，研究拉氏程式人為解構造方法、格線收斂指標的正確性驗證技術；研究建模與模擬中眾多參數敏感度分析、誤差累積分布函式表征、不確定度多項式混沌量化的可信度確認方法；探索確認域與預測域建模與模擬可信度評估方法，研製相關的分析軟體包，建立多物理程式正確性驗證與可信度確認的基準庫。並將方法用於多物理程式，以檢驗它的可行性和有效性。

結題摘要

在國家重大工程和產品設計等量大領域，許多現象都是多物理耦合的問題，描述其過程的數學模型往往是高度非線性的偏微分方程組。此模型涉及流體力學方程（質量、動量、能量）和狀態方程、本構關係等輔助方程，很難得到解析解，在計算機上進行數值求解已成為重要的手段。數值求解可以真實、全過程、全時空、反覆精密地進行。但數值模擬軟體的正確性與模擬結果的可信度嚴重阻礙著軟體的推廣使用和“自造血能力”，制約著自主創新的能力。驗證、確認和不確定度量化（V&V&UQ）是發展高可信度數值仿真軟體的重要方法，甚至是唯一途徑。 本項目將“物理建模、數值建模、軟體研製、數值實驗、預測評估”五位一體考慮，發展了多物理程式V&V&UQ的相關術語、概念、基本原理、基本活動、實施流程等，構建了多物理程式建模與模擬V&V&UQ的框架，可有效指導多物理程式的V&V&UQ。結合多物理軟體驗證的全生命周期，提出了三階段十五節點的軟體質量保證程式驗證技術，可有效控制多物理程式的軟體質量保證驗證實施。採用HTML標準格式，構建了流體力學程式測試模型基本庫，發展了三階段軟體測試的驗證技術，能為多物理程式產生各種模型測試實例，有效測試程式。結合拉氏有限體積格式，提出了格式精度、對稱性、守恆性的數學基本理論驗證技術。基於方程右端加源項的思想，構造了平面、柱坐標系下拉氏方程的人為構造解，發展了格線收斂指標及算法實施正確性的驗證技術。基於爆轟流體力學程式的功能，提出了功能驗證技術。基於炸藥爆轟過程，提出了多物理程式模型分層確認方法，構建了爆轟流體力學多物理程式實施確認的層級，發展了多因素敏感度分析、代理模型、高斯過程和殘差最小、貝葉斯的不確定性量化方法，提出了基於誤差馬尾圖量化置信度、機率盒的評估方法，有效實施了模型確認。該項目基本形成的中國流體力學多物理程式V&V&UQ的理論體系，該體系具有廣泛的輻射性和示範性，可以快速套用到其它領域。該項目多次獲獎，得到國內專家的認可。