KIVA - это семейство программного обеспечения для вычислительной гидродинамики на основе Fortran, разработанного Лос-Аламосской национальной лабораторией (LANL). Программа прогнозирует сложные топливные и воздушные потоки, а также процессы воспламенения , сгорания и образования загрязняющих веществ в двигателях. Модели KIVA использовались для понимания процессов химического горения, таких как самовоспламенение топлива, а также для оптимизации дизельных двигателей с целью достижения высокого КПД и низкого уровня выбросов. General Motors использовала KIVA при разработке бензиновых двигателей с прямым впрыском и стратифицированным наддувом, а также быстро сгорающих и однородных бензиновых двигателей. [1] Cummins сокращение времени и затрат на разработку на 10–15% за счет использования KIVA для разработки своего высокоэффективного дизельного двигателя ISB 6,7 л 2007 года, который в 2007 году смог соответствовать стандартам выбросов 2010 года. В то же время компания реализовала более надежную конструкцию и улучшенная экономия топлива при соблюдении всех экологических требований и требований клиентов. [2]
Разработчики) | Лос-Аламосская национальная лаборатория |
---|---|
Первый выпуск | 1985 |
Стабильный выпуск | КИВА-4мпи / 2009 |
Операционная система | Linux , Unix , Windows |
Доступно в | Фортран |
Тип | Физика |
Лицензия | Проприетарный |
Веб-сайт | www |
История
Компетенция LANL в области вычислительной гидродинамики берет свое начало с самого начала Манхэттенского проекта в 1940-х годах. Когда Соединенные Штаты оказались в эпицентре первого энергетического кризиса 1970-х годов, эта основная лаборатория была преобразована в KIVA, инструмент моделирования двигателей внутреннего сгорания , призванный помочь сделать автомобильные двигатели более экономичными и более экологически чистыми. « Кива » на самом деле представляет собой круглую церемониальную камеру пуэбло, которая находится под землей и в которую можно попасть сверху по лестнице, проходящей через крышу; Используя юго-западное наследие LANL, проводится аналогия с типичным цилиндром двигателя, в котором вход и выход газов осуществляется через клапаны, установленные в цилиндре. [3]
Первый публичный выпуск KIVA был выпущен в 1985 году Национальным центром программного обеспечения для энергетики (NESC) в Аргоннской национальной лаборатории , который в то время служил официальным центром распространения программного обеспечения, спонсируемого Министерством энергетики . Распространение KIVA продолжалось через Центр программного обеспечения энергетических наук и технологий (ESTSC) в Ок-Ридже , штат Теннесси, до 2008 года, когда распространение нескольких версий KIVA вернулось в подразделение передачи технологий LANL (TT). [4] KIVA используется сотнями учреждений во всем мире , в том числе автомобилестроителей Большой тройки США , [1] [5] [6] Cummins , [2] Caterpillar , [7] и различные федеральные лаборатории. [1] [8]
Обзор
Экономия топлива в значительной степени зависит от эффективности двигателя , который, в свою очередь, в значительной степени зависит от того, как топливо сжигается в цилиндрах двигателя. Более высокие давление и температура в цилиндрах приводят к повышенной экономии топлива, но они также затрудняют управление процессом сгорания . Плохо контролируемое и неполное сгорание может привести к более высокому уровню выбросов и снижению эффективности двигателя .
Чтобы оптимизировать процессы сгорания, конструкторы двигателей традиционно производили модификации двигателя вручную, проводили испытания и анализировали результаты. Этот итеративный процесс кропотливо медленный, дорогостоящий и не позволяет определить оптимальные технические характеристики двигателя. В ответ на эти проблемы ученые Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали KIVA, код для моделирования продвинутой вычислительной гидродинамики (CFD), который точно моделирует процессы в цилиндрах двигателей.
KIVA, временный, трехмерный , многофазный , многокомпонентный код для анализа химически реагирующих потоков с распылителями, разрабатывается в LANL в течение десятилетий. Код использует методологию произвольного лагранжевого эйлера (ALE) на шахматной сетке и дискретизирует пространство с помощью метода конечных объемов . В коде используется неявное продвижение по времени, за исключением адвективных терминов, которые приводятся явным образом, но с сохранением монотонности второго порядка . Кроме того, вычисления конвекции могут быть повторены в требуемых регионах, чтобы избежать ограничения временного шага из-за условий Куранта .
Функциональность KIVA простирается от низких скоростей до сверхзвуковых потоков как для ламинарных, так и для турбулентных режимов. Приведены транспортные и химические реакции для произвольного числа видов и их химические реакции. Стохастической метод частиц используются для расчета испарения жидких аэрозолей, в том числе эффектов капельных столкновений, агломерации , и аэродинамических взломы.
Хотя этот код специально разработан для моделирования двигателей внутреннего сгорания , модульность кода позволяет легко модифицировать его для решения разнообразных задач гидродинамики, связанных с химическими реакциями. Универсальность и набор функций сделали программы KIVA привлекательными для множества приложений, не связанных с движком; они варьируются от конвекционных колонн до моделирования конденсации диоксида кремния в камерах окисления высокого давления . Другие приложения включают анализ потоков в автомобильных каталитических нейтрализаторах , очистку дымовых труб электростанций, пиролитическую обработку биомассы , проектирование систем пожаротушения , двигателей с импульсной детонацией (PDE), стационарных горелок, распыления аэрозолей, а также проектирование систем отопления, вентиляции и системы кондиционирования воздуха . Код нашел широкое применение в автомобильной промышленности.
Версии
КИВА-3В
KIVA-3V - наиболее зрелая версия KIVA, которая все еще поддерживается и распространяется через LANL; это улучшенная версия более раннего KIVA3 (1993), удостоенного награды Федерального лабораторного консорциума за выдающиеся достижения в области передачи технологий, расширенная для моделирования вертикальных или наклонных клапанов в головке цилиндров бензиновых или дизельных двигателей. [9] KIVA3, в свою очередь, был основан на более ранней версии KIVA2 (1989) и использовал ту же процедуру численного решения и решал те же типы уравнений. [10]
KIVA-3V использует блочно-структурированную сетку с возможностью подключения, определяемой через косвенную адресацию. Отход от единой прямоугольной структуры в логическом пространстве позволяет моделировать сложные геометрические формы со значительно большей эффективностью, поскольку большие области деактивированных ячеек больше не нужны. Граничные условия на поверхности ячейки допускают большую гибкость и упрощение применения граничных условий. КИВА-3В также содержит ряд значительных улучшений по сравнению со своими предшественниками. Новые функции повысили надежность, эффективность и полезность всей программы для моделирования двигателей. Автоматический перезапуск цикла с уменьшенным временным шагом в случае ограничения итераций или переполнения температуры эффективно снижает количество сбоев кода. В новой опции предусмотрена автоматическая деактивация области порта, когда она закрывается от цилиндра, и повторная активация, когда она сообщается с цилиндром. Расширения к модели пленки жидкой стенки на основе частиц сделали модель более полной, а также была добавлена опция раздельного впрыска. Новая подпрограмма контролирует жидкую и газообразную фазы топлива, а данные энергетического баланса и выбросы отслеживаются и распечатываются. Кроме того, были добавлены новые функции в разработанный LANL генератор сетки K3PREP и графический постпроцессор KIVA K3POST. [10]
КИВА-4
KIVA-4 поддерживается и распространяется через LANL. В то время как KIVA-4 сохраняет полную универсальность KIVA-3V, он добавляет возможность вычислений с неструктурированными сетками. Неструктурированные сетки создавать проще, чем структурированные сетки для сложных геометрических фигур. Неструктурированные сетки могут состоять из множества элементов, включая гексаэдры , призмы , пирамиды и тетраэдры . Однако численная точность снижается, если сетка не состоит из гексаэдров. KIVA-4 был разработан для работы со многими геометриями, размещенными в KIVA-3V, включая двухмерную осесимметричную , двухмерную плоскую , трехмерную осесимметричную секторную геометрию и полную трехмерную геометрию. КИВА-4 также имеет алгоритм многокомпонентного испарения топлива. Многие численные алгоритмы в KIVA-3V правильно обобщаются на неструктурированные сетки; однако требовались фундаментальные изменения в решении уравнения давления и потока количества движения. Кроме того, KIVA-4 перебирает грани ячеек для вычисления условий диффузии . [11]
КИВА-4мпи
Недавно исследователи LANL разработали KIVA-4mpi, параллельную версию KIVA-4 и самую продвинутую версию KIVA, поддерживаемую и распространяемую LANL. KIVA-4mpi также решает химически реагирующие, турбулентные, многофазные вязкие потоки, но делает это на нескольких компьютерных процессорах с распределенной вычислительной областью (сеткой). Возможности моделирования двигателей внутреннего сгорания KIVA-4mpi такие же, как и у KIVA-4, и основаны на коде неструктурированной сетки KIVA-4. Программное обеспечение хорошо подходит для моделирования двигателей внутреннего сгорания на нескольких процессорах с использованием интерфейса передачи сообщений (MPI). [12] 9 августа 2011 г. LANL удостоил авторов KIVA-4mpi награды «Выдающиеся авторские права» за демонстрацию широкого спектра коммерческих приложений, потенциала создания экономической ценности и высочайшего уровня технического совершенства. [13]
KIVA-EXEC
KIVA-EXEC - это бесплатная пробная версия KIVA-4 с ограниченной функциональностью, предназначенная только для исполняемых файлов. KIVA-EXEC обладает всеми характеристиками основного кода KIVA-4 Лос-Аламосской национальной лаборатории, но с ограничением ячеек 45 КБ. [14] KIVA-EXEC идеально подходит для новичков, которым не нужно или не собираются изменять исходный код. [15]
KIVA видео
- Наклонный клапан KIVA4 [16]
- Миска Cubit с зубчатыми краями [17]
- 4-х клапанный КИВА-4 мпи [18]
- 4 Valve FEARCE, новое программное обеспечение LANL T-3 на основе FEM, 2018 г. (Дэвид Кэррингтон и Джиаджиа Уотерс)
Альтернативное ПО
- Расширенная библиотека моделирования (открытый исходный код: AGPL) [19]
- COMSOL Multiphysics
- КОЛОКОЛЬЧИК [20]
- Код Сатурн (GPL)
- Coolfluid ( LGPLv3 ) [21]
- сделка.II [22]
- FEATool Multiphysics [23]
- FreeCFD [ необходима ссылка ]
- Решатель потока Герриса [24]
- Нектар ++ [25]
- OpenFVM [26]
- Код SU2 (LGPL) [27]
Рекомендации
- ^ a b c «Моделирование процессов сгорания повышает эффективность двигателя» (PDF) . Eere.energy.gov . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ а б «Программа транспортных технологий: исследования и разработки в области перспективных двигателей внутреннего сгорания: цели, стратегии и основные достижения» (PDF) . Eere.energy.gov . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ Амсден, DC, Амсден и AA, Кива история: Парадигма трансфера технологий, IEEE Transactions на Professional Communication Journal, 36, (4), 190-195, декабрь 1993
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 26.10.2011 . Проверено 24 октября 2011 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «Вычислительное моделирование двигателя» . Ornl.gov . Проверено 11 декабря 2012 .
- ^ «Microsoft Word - cst_paper_revised_FINAL.doc» (PDF) . Personal.umich.edu . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ "Энергетические системы | Аргоннская национальная лаборатория" (PDF) . Transportation.anl.gov . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ «Исследование автомобильных двигателей HCCI» (PDF) . Eere.energy.gov . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ Офис науки (2012-06-21). "1993 Награды | Управление науки Министерства энергетики США (SC)" . Science.energy.gov . Проверено 11 декабря 2012 .
- ^ а б «ESTSC - новейшее программное обеспечение Министерства энергетики США» . Osti.gov. 1999-11-29 . Проверено 11 декабря 2012 .
- ^ Торрес, DJ и Трухильо, MF, KIVA-4: неструктурированный код ALE для потока сжимаемого газа с распылителями, Журнал вычислительной физики, 2006, т. 219, стр. 943-975.
- ^ Дэвид Торрес, Yuanhong Ли и Сун-Charng Kong, Разметка Стратегии параллельного KIVA-4 Engine симуляторы, Компьютеры и флюиды, 2009
- ^ «Награды присуждают выдающиеся инновации в области трансфера технологий» . Архивировано из оригинального 21 октября 2011 года . Проверено 24 октября 2011 года .
- ^ Лос-Аламосская национальная лаборатория • Основана в 1943 году. «КИВА-4: Лос-Аламосская национальная лаборатория» . Lanl.gov . Проверено 11 декабря 2012 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Национальная лаборатория Лос-Аламоса • Дата основания 1943. "LANL | TT | Лицензия | Программное обеспечение | 2010" . Lanl.gov . Проверено 11 декабря 2012 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2011-10-31 . Проверено 24 октября 2011 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2011-10-31 . Проверено 24 октября 2011 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2011-10-31 . Проверено 24 октября 2011 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «Расширенная библиотека моделирования» . ASL . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ «Ракушка» . Depts.washington.edu . 2013-01-21 . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ андреалани. «Главная · andrealani / COOLFluiD Wiki · GitHub» . Github.com . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ [1] Архивировано 8 июня 2012 г. в Wayback Machine.
- ^ "FEATool Multiphysics - Matlab FEM Finite Element Physics Simulation Toolbox" . Featool.com . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ «Решатель потока Герриса» . Gfs.sf.net . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ "Nektar ++ - Spectral / hp Element Framework" . Nektar.info . Проверено 14 июня 2016 .
- ^ "Загрузка OpenFVM" . SourceForge.net . Проверено 27 сентября 2016 .
- ^ «SU2, открытый код CFD» . Su2.stanford.edu . DOI : 10.1016 / j.compfluid.2016.02.003 . Проверено 27 сентября 2016 .
Внешние ссылки
- Бесплатная загрузка KIVA-EXEC для личного использования, совместимая с Linux (рекомендуется Red Hat)
- КИВА-4 Руководство пользователя
- Руководство KIVA-3V (0,4 МБ, с возможностью поиска в READER.)
- Руководство KIVA-3V (1,5 МБ, с возможностью поиска в READER.)
- Руководство по KIVA-3 (2,2 МБ, с возможностью поиска в READER.)
- Руководство KIVA-II (9,0 МБ, отсканированный документ, поиск недоступен).
- Группа гидродинамики и механики твердого тела Лос-Аламосской национальной лаборатории
- Отдел передачи технологий Лос-Аламосской национальной лаборатории