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USO DELLA SIMULAZIONE NUMERICA
NELL’INGEGNERIA OFFSHORE
Paolo Monti
Responsabile Analisi AvanzateSaipem Energy Services S.p.A.
Sealine & Subsea Division
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LO SVILUPPO DI GIACIMENTI PETROLIFERI OFFSHORE
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LE PIATTAFORME FISSE
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I SISTEMI DI PRODUZIONE GALLEGGIANTI
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I SISTEMI DI PRODUZIONE SOTTOMARINA
risers
Infield Flowlines between subsea wells and floating production system:
Transportation of (unprocessed) multiphase fluidHigh pressure & TemperatureSmall diameters (max 14”-16”)Short lengths (max 15-20 km)
Intrafield Flowlines or Pipelines to Shore Plants(Processed) Single Phase FluidMedium Diameters (16”-24”)Medium-Long Distances (< 100-200 km)
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I SISTEMI IN ACQUE PROFONDE
Progettazione / Produzione: > 1500 m Pianificazioni: > 2000 mPerforazioni: > 3000 m
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LE CONDOTTE SOTTOMARINE
GALSI
SAPRI-MILAZZO
SHTOKMAN
BLUE STREAM
IRAN-INDIA
SOUTH STREAM
NORD STREAM
Trunklines(Processed) Single Phase FluidLarge diameters (30”-48”)Very Long Distances (hundreds of km)
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IL GRUPPO SAIPEM
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PERFORAZIONEPERFORAZIONE
PRODUZIONE DI GIACIMENTIPRODUZIONE
DI GIACIMENTI
PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI PIATTAFORME
PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI PIATTAFORME
PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI TUBAZIONI
PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI TUBAZIONI
PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI TUBAZIONI A TERRAPROGETTAZIONE E INSTALLAZIONEDI TUBAZIONI A TERRA
PROGETTAZIONE DI IMPIANTI PETROLCHIMICIPROGETTAZIONE DI IMPIANTI PETROLCHIMICI
PERFORAZIONE ONSHOREPERFORAZIONE ONSHORE
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L’USO DELLA SIMULAZIONE NUMERICA
NELL’INGEGNERIA OFFSHORE
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L’USO DELLA SIMULAZIONE NUMERICA NELLA PROGETTAZIONE DI STRUTTURE OFFSHORE
Simulazione numerica finalizzata alla progettazione strutturale di impianti offshore
Supporto all’installazione di condotte sottomarine, di piattaforme, di impianti sottomarini
Supporto alla perforazione di pozzi sottomarini
Progettazione non convenzionale, analisi avanzate, verifiche di dettaglio
Studio di eventi incidentali
Simulazione del movimento di navi, a seguito dei carichi meteomarini (onda, corrente superficiale, vento)
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TIPOLOGIE DI ANALISI STRUTTURALI PER PROGETTAZIONE
E VERIFICHE DI DETTAGLIO
Analisi staticheAnalisi lineariAnalisi non lineari
o Non linearità del materiale (elasticità non lineare, elasto-plasticità)o Non linearità geometrica (grandi spostamenti e/o grandi deformazioni)
Analisi in campo post-bucklingAnalisi dinamiche
Analisi modale (calcolo delle frequenze proprie)Analisi della risposta a forzanti armonicheAnalisi transitorie (carichi variabili nel tempo con legge assegnata)Analisi sismicheAnalisi di vibrazioniAnalisi lineari e non lineari
Analisi termicheAnalisi stazionarie e transitorieAnalisi lineari e non lineari (proprietà del materiale dipendenti dalla temperatura, trasmissione del calore per radiazione)Analisi di transizione di fase
Altre analisiRisposta ad impatto o a fenomeni esplosiviAnalisi accoppiata termo-strutturaleAnalisi di criticità di difetti di saldature
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PROGETTAZIONE INSTALLAZIONE PERFORAZIONE
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PROGETTAZIONE DI PIATTAFORMEDeck
Jacket
Analisi strutturali per progettazione:In place (statica)FaticaSismaTrasportoInstallazione
Carichi dovuti a:Peso ProprioPeso impiantiVento / Onda / CorrenteSismaTrasporto Installazione
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PROGETTAZIONE E INSTALLAZIONE DICONDOTTE SOTTOMARINE Varo a J
Varo a S
Analisi strutturali per progettazione:Dimensionamento della sezioneInterazione con il fondo marino irregolareCondizioni operative (pressione e temperatura)Installazione
Carichi dovuti a:Peso ProprioOnda / CorrentePressione e temperaturaProfilo del fondo marinoImpatto con attrezzatura da pescaInstallazione
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PROGETTAZIONE DI RISERS DI PRODUZIONE
Analisi strutturali per progettazione:Analisi statica e dimensionamento della sezioneAnalisi dinamica (moto ondoso e movimento nave)Analisi a faticaInterazione tra linee adiacentiInterazione tra risers e linee di ormeggioAnalisi di installazione
Carichi dovuti a:Peso ProprioOnda / CorrentePressione e temperaturaMovimento del sistema di produzione galleggianteInstallazione
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LIFTING ANALYSIS (PLATFORM INSTALLATION)
Heaviest Lift: 12150 ton
Obiettivo: definire stati di mare limite per effettuare l’operazione
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LOWERING ANALYSIS(SUBSEA STRUCTURE INSTALLATION)
Obiettivo: definire stati di mare limite per effettuare l’operazione
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Carichi dovuti a:Peso ProprioOnda / CorrenteMovimento della nave di perforazione
S12000
Analisi strutturali:Dimensionamento del sistema di tensionamento del drilling risers (tensionatore idraulico + elementi galleggianti) Analisi dinamica (moto ondoso e movimento nave)
SUPPORTO ALLE ATTIVITA’DI PERFORAZIONE
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VERIFICHE DI DETTAGLIO
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VERIFICA LOCALE DI UN JACKET DI PIATTAFORMA
Verifica locale della connessione tra struttura e pali di fondazione
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ANALISI DEL GANCIO DI UNA GRU
Verifica di sollevamento al limite della capacità nominale
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Rullo di varo
TubazioneRicoprimento
in gomma
VERIFICA LOCALE DI CONTATTO RULLO DI VARO - TUBAZIONE
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ANALISI TERMICA DI UNA SALDATURA
Torcia di saldatura
Andamento nel tempo della temperatura nell’acciaio
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ANALISI NON CONVENZIONALINELLA PROGETTAZIONE
DI CONDOTTE SOTTOMARINE
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IL FENOMENO DEL LATERAL BUCKLING E DEL PIPEWALKING
Condizioni di carico per le condotte sottomarine sempre più gravose, soprattutto ad alta profondità e quando trasportano idrocarburo non trattato:
Temperatura operativa idrocarburo trasportato: fino a 110 – 130 °CPressione operativo idrocarburo trasportato: fino a 30 – 40 MPa
L’attrito tra tubo e terreno impedisce l’espansione e induce un carico di compressione nella condotta:
Tale carico può superare il Carico Critico Euleriano; la condotta si instabilizza:o Condotta appoggiata sul fondo marino (spostamento laterale libero): instabilità nel
piano orizzontale lateral bucklingo Condotta interrata (spostamento laterale impedito): instabilità nel piano verticale
up-heaval bucklingDurante le fermate ed i successivi ri-avviamenti dell’impianto, per determinate condizioni la condotta è soggetta ad uno spostamento longitudinale complessivo pipewalking
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IL FENOMENO DEL LATERAL / UPHEAVAL BUCKLING
UP-HEAVAL BUCKLINGPost-buckling Configuration
Initial Configuration
Pipeline
Seabottom
LATERAL BUCKLING
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
Posizione (m)
Tem
pera
tura
(°C
)
Transient Temperature Profiles
Seabottom Slope
Deepwater flowline
SCR
Floating Production System
Riser Tension
wellhead
Tem
pera
ture
Position
Start-up
(F)PLET
IL FENOMENO DEL PIPEWALKING
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Pipe walking
SCR
Pipeline Global Axial DisplacementInitial position
End of life
Few meters
wellhead (F)PLET
spool
Hot End
Cold End
Pipe walking
IL FENOMENO DEL PIPEWALKING (2)
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IL FENOMENO DEL LATERAL BUCKLING
Approccio nel passato: prevenzione del fenomeno[evitare lo sviluppo di forze di compressione (expansion spools) e/o
lo sviluppo dell’instabilità (interramento della condotta)]⇓
Approccio non praticabile e/o non economico (soprattutto ad elevate profondità)
⇓Approccio attuale: controllo del fenomeno
[permettere e controllare lo sviluppo dell’instabilità]⇓
DISPONIBILITA’ DI METODI DI CALCOLOE PROGETTAZIONE “ROBUSTI”:
Metodologie analiticheMetodologie numeriche
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LA SALDATURA
cianfrino
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VALUTAZIONE DI CRITICITA’DI DIFETTI ALL’INTERNO DI
SALDATURE
Difetti dovuti a:Mancanza di fusioneElevate autotensioniProcesso di solidificazione materiale di apportoFabbricazione della tubazione (difetti nel materiale base)
Rilevati da controlli non distruttiviRadiografiaUltrasuoni
I difetti possono essere già presenti nel materiale base, generarsi durante la saldatura, generarsi a seguito della storia di carico.
Difetti superficiali
Difetti superficiali
Difetti interni
Difetti nel materiale base
Axial Stress
Axial Stress
I difetti crescono durante la vita della condotta, soprattutto per l’azione di carichi ciclici (anche se le sollecitazioni massime sono ben inferiori al limite elastico).
La crescita può diventare instabile, e può portare al collasso del componente strutturale o al collasso dell’intera struttura.
Difficile tecnicamente e/o estremamente costoso riparare il danno in opera (anche in assenza di collasso strutturale), in particolare ad alta profondità.
La progettazione deve garantire l’integrità strutturale, lungo tutte le fasi della vita dell’impianto, attraverso delle analisi che permettono di valutare la criticità di un difetto, in funzione delle sue dimensioni e della storia di carico attesa.
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EVENTI INCIDENTALI
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STRONG VIBRATION ANALYSIS
Verifica delle vibrazione indotte da eventi incidentali, per valutare l’efficacia dei sistemi di sicurezza
Eventi incidentali analizzati:Impatto di una imbarcazione contro il jacketCollisione di elicotteroCaduta di oggetti in piattaformaEsplosione
t [ms]
F [k
N]
FHi
0.5 t i
ti
Storia di carico
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RISPOSTA STRUTTURALE A ESPLOSIONI SOTTOMARINE
R
Charge
Gas bubble
Shock wave front
p
t
Primary pressure peak(shock wave)
Secondary pressure peak(shock wave)
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INTERAZIONE CON UNA CONDOTTA SOTTOMARINA
)cos2(pp incr α−=
CONDOTTA
CARICA ESPLOSIVA
CONDOTTA
CARICA ESPLOSIVA
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CHARGE WEIGHT vs. DISTANCE RELATIONSHIP
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
CHARGE DIS TANC E [m]
TNT CHARGE W
EIG
HT [Kg]
ULS
E las tic L imit
S LS
Elastic RegionElasto-plastic Region
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RISPOSTA STRUTTURALE AD ESPLOSIONI
Posizione carica esplosiva
Acqua
Intercapedine d’aria
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COLLASSO PROGRESSIVO DI UN TETTO GALLEGGIANTE DI SERBATOIO
Studio del danneggiamento progressivo di un tetto galleggiante a doppio pontone, a seguito del progressivo allagamento dei cassoni dovuto al malfunzionamento del sistema di drenaggio.
tetto
serbatoio
liquido
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SIMULAZIONE DEL MOVIMENTO DELLE NAVI
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The execution of offshore operations (pipelaying, drilling, platform installation) strictly depends on the ship motion
The prediction of the vessel motion is fundamental to define the limiting environmental conditions for offshore operations
NECESSITY OF ACCURATE AND ROBUST VESSEL
SIMULATION AND ANALYSIS TOOLS, VALIDATED ON MODEL TESTS
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LOADS ACTING ON OFFSHORE VESSELS
Environmental Loads
Wave LoadsFirst Order Loads (periods < 15-20 sec) Barge motion around nominal position
Second Order (Drift) Loads (periods > 20-50 sec) counteracted by DP System / Mooring Lines
Wind LoadsSlow Wind variation counteracted by DP System / Mooring Lines
Wind Gusts
Surface Current LoadsSteady load counteracted by DP System / Mooring Lines
Other Loads
Pipeline Loads
Platform Weight
Drilling Riser Loads
Restoring Loads
Dynamic Positioning Loads
Mooring Loads
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LOADS ACTING ON OFFSHORE VESSELS (2)
Barge Length Draft
Wave LoadWind Load Surface
Current1° Order 2° Order
Mean Max Mean Max Mean Max
Ship 165 m 7.4 m 0 kN 45500 kN 600 kN 8950 kN 900 kN 1600 kN 440 kN
Semi-sub 200 m 27.5 m 0 kN 51300 kN 600 kN 3980 kN 1800 kN 3100 kN 2000 kN
300 m 10.4 m 0 kN 90000 kN 1510 kN 10850 kN 1750 kN 3000 kN 1500 kN
Beaufort Scale #8 (Gale):
Wind velocity = 70 km/h
Max wave height = 7.0 m
Surface current = 1 m/sec
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MOTION OF OFFSHORE VESSELS
Six Degrees of Freedom (rigid body)Three translational (surge, sway, heave)
Three rotational (roll, pitch, yaw)
Roll, Pitch, and Heave are oscillatory around nominal position, and driven by hydrodynamic stiffness
Surge, Sway, Yaw are a combination of oscillatory and drift motion
-5
0
5
10
15
20
25
0 50 100 150 200 250 300
wave frequency motion
slow drift motiontotal motion
)t(F)t(F)t(F)t(F)t(FxKxBx)MM( restoringstructcurrentwindwavehyd
...
add −+++=+++
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MOTION OF OFFSHORE VESSELS (2)
Vessel motion obtained through numerical simulations
Vessel 3D model validated through the comparison between the
numerical motion and model test results
NECESSITY OF INTEGRATION BETWEEN NUMERICAL MODELS AND
MODEL TESTS
A.P. (aft perpendicular)
x
y
z
Base Line
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BASIN TESTS
Model Scale = 1:50/70
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BASIN TESTS (2)
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WIND TUNNEL TESTS
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DYNAMIC POSITIONING SYSTEM
Thruster System
Control System
Position Reference System
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VesselDP
CONTROL SYSTEM
Vessel Position “Measured” Position
ResultantThruster Forces
Wave Forces
Current Forces
Wind Forces
Other Forces
Filtered Wind ForcesWind Velocity & Heading
Pipe & Stinger & Tensioner
Model
Pipe / StingerForces
Vessel HydrodynamicDatabase
Pipe / Stinger Forces
Mooring Forces
FIPLAFully Integrated PipeLaying Analysis tool
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STRUMENTI DI CALCOLO PER LA SIMULAZIONE NUMERICA
E LORO INTEGRAZIONE
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LE METODOLOGIE ANALITICHE
Ipotesi semplificative, che portano ad una soluzione in forma chiusa:
Lateral buckling:o Forma predefinita della configurazione
deformata in campo post-bucklingo condotta perfettamente rettilinea e di
lunghezza infinitao Azione assiale di compressione costante
lungo l’intera condottao Comportamento perfettamente elastico
lineare del materialeo Grandi spostamenti, ma piccole deformazionio Attrito di tipo rigido-Coulombiano
Modo 1 Modo 2
Modo 3 Modo 4
L LL
L L
Configurazione post-buckling
L = lunghezza caratteristica
Pipewalking:o Pressione e temperature constanti lungo la condottao Comportamento perfettamente elastico lineare del materialeo Attrito di tipo rigido-Coulombianoo Pendenza del terreno costanteo Gradiente di temperatura constante
Con facilità forniscono una soluzione preliminare
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LE METODOLOGIE NUMERICHE (FEM)
Risultati FEM ritenuti rappresentativi del reale comportamento della condotta
Necessità di codici di calcolo “robusti”: Ansys / Abaqus
Attenzione all’uso di analisi FEM in presenza di medio-lunghe condotte (> 8-10 km) e/o temperature medio-alte (> 70-90 °C), e/o numero elevato di fermate & riavviamenti: elevate dimensioni del modello e/o elevati tempi di calcolo
Risultati più precisi,con tempi più lunghi
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L’INTEGRAZIONE DELLE DIVERSE METODOLOGIE NELLA PROGETTAZIONE DI
CONDOTTE SOTTOMARINE
Le metodologie analitiche e numeriche hanno caratteristiche complementari, che ne facilitano l’integrazione durante la progettazione
Pro ControMetodologie analitiche
Facilità e velocità d’usoCapacità di descrizione qualitativa del fenomenoPossibilità di sviluppare analisi di sensitività
Minore accuratezza dei risultatiPredizione conservativa dello stato tensionale (lateral buckling)
Metodologie numeriche
Maggiore accuratezza nei risultatiMigliore gestione dell’attrito tubo-terreno
Tempi di calcolo elevati (a volte eccessivi)Difficoltà di sviluppo di analisi di sensitività
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Fase di progetto Requisiti di progetto Metodologie adottate
Fase iniziale / concettuale
Studio e comparazione di diverse alternative, in tempi breviAnalisi di sensitività e valutazione influenza dei diversi parametriAccuratezza non elevata nei risultati
Ampio uso delle metodologie analiticheUso delle metodologie numeriche limitato, e mirato a rimuovere eccessive conservatività
Fase di DettaglioStudio dettagliato di poche alternative, in tempi medio-lunghiElevata accuratezza nei risultati
Uso delle metodologie analitiche come guida alla successiva analisi numericaUso esteso delle metodologie numeriche
L’INTEGRAZIONE DELLE DIVERSE METODOLOGIE NELLA PROGETTAZIONE DI
CONDOTTE SOTTOMARINE (2)
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I RISCHI DELLASIMULAZIONE NUMERICA
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I RISCHI DELLA SIMULAZIONE NUMERICA
La simulazione numerica è sempre più diffusa nell’industria, per progettare o simulare eventi incidentali, favorita dagli attuali codici e strumenti di calcolo. Essa presenta sia dei vantaggi che dei rischi.
Vantaggi:permette di riprodurre fedelmente la realtà, con costi contenuti
Rischi:l’efficacia dello strumento di calcolo viene enfatizzata, a scapito della valutazione ingegneristica del problema che si sta analizzandola simulazione numerica diventa il “fine” della propria attività, e non “mezzo” a supporto dei tempi e degli obiettivi della progettazionesi tende sempre più a “riprodurre” la realtà, piuttosto che “simularla”: le strategie di calcolo non sempre sono ottimizzate, in funzione del risultato atteso
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Mantenere sempre il pieno controllo del problema ingegneristico: non delegare al computer la comprensione del fenomeno oggetto dello studio.
La comprensione del fenomeno fisico deriva dalle equazioni che lo governano.
Fondamentale definire modelli interpretativi semplificati, per:Comprendere il fenomenoCapire l’influenza dei vari parametriAcquisire l’ordine di grandezza del risultato
Il risultato deve essere (qualitativamente) noto a priori.
Ogni risultato è sbagliato, fino a quando non sono convinto della sua correttezza.
I RISCHI DELLA SIMULAZIONE NUMERICA (2)