КИВА (программное обеспечение)
 KIVA-моделирование экспериментального двигателя с DOHC и четырьмя клапанами. квазисимметричной камерой сгорания | |
| Разработчик(и) | Национальная лаборатория Лос-Аламоса |
|---|---|
| Первоначальный выпуск | 1985 год |
| Стабильная версия | КИВА-4мпи / 2009 |
| Операционная система | Линукс , Юникс , Винда |
| Доступно в | Фортран |
| Тип | Физика |
| Лицензия | Собственный |
| Веб-сайт | www |
KIVA — это семейство Фортрана, на базе для вычислительной гидродинамики программного обеспечения разработанное Национальной лабораторией Лос-Аламоса (LANL). Программное обеспечение прогнозирует сложные потоки топлива и воздуха, а также процессы воспламенения , сгорания и образования загрязняющих веществ в двигателях. Модели KIVA использовались для понимания химических процессов сгорания, таких как самовоспламенение топлива, а также для оптимизации дизельных двигателей для достижения высокой эффективности и низкого уровня выбросов. General Motors использовала KIVA при разработке бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и послойным наддувом, а также быстросгорающих бензиновых двигателей с гомогенным зарядом. [1] Компания Cummins сократила время и стоимость разработки на 10–15 %, используя KIVA для разработки высокоэффективного дизельного двигателя ISB 6,7 л 2007 года выпуска, 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 и потребительских ограничений. [2]
История
[ редактировать ]Опыт LANL в области вычислительной гидродинамики берет свое начало с самого начала Манхэттенского проекта в 1940-х годах. Когда Соединенные Штаты оказались в разгаре первого энергетического кризиса в 1970-х годах, этот основной потенциал Лаборатории трансформировался в KIVA, инструмент моделирования двигателей внутреннего сгорания , призванный помочь сделать автомобильные двигатели более экономичными и более чистыми. « Кива » на самом деле представляет собой круглую церемониальную палату пуэбло , расположенную под землей, куда можно попасть сверху по лестнице через крышу; Опираясь на 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 через Национальный центр энергетического программного обеспечения (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 энергетической науки и технологий (ESTSC) в Ок-Ридже , штат Теннесси , до 2008 года, когда распространение нескольких версий KIVA вернулось в отдел передачи технологий (TT) LANL. [4] KIVA используется сотнями организаций по всему миру, включая « большую тройку» автопроизводителей США . [1] [5] [6] Камминс , [2] Гусеница , [7] и различные федеральные лаборатории. [1] [8]
Обзор
[ редактировать ]Экономия топлива во многом зависит от эффективности двигателя , которая, в свою очередь, в значительной степени зависит от того, как топливо сгорает в цилиндрах двигателя. Более высокие давление и температура в цилиндрах приводят к увеличению экономии топлива, но они также создают трудности в контроле над процессом сгорания . Плохо контролируемое и неполное сгорание может привести к повышению уровня выбросов и снижению двигателя эффективности .
Чтобы оптимизировать процессы сгорания, конструкторы двигателей традиционно вручную модифицировали двигатель, проводили испытания и анализировали результаты. Этот итерационный процесс чрезвычайно медленный, дорогостоящий и не позволяет определить оптимальные характеристики конструкции двигателя. В ответ на эти проблемы ученые Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали KIVA, усовершенствованный код моделирования вычислительной гидродинамики (CFD), который точно моделирует процессы в цилиндрах двигателей.
KIVA, переходный, трехмерный , многофазный , многокомпонентный код для анализа химически реагирующих потоков с распылителями, разрабатывался в LANL на протяжении десятилетий. Код использует методологию произвольного лагранжева эйлера (ALE) на шахматной сетке и дискретизирует пространство с помощью метода конечного объема . В коде используется неявное продвижение по времени, за исключением адвективных терминов, которые задаются явным образом, но с сохранением монотонности второго порядка . Кроме того, расчеты конвекции могут выполняться субциклически в нужных регионах, чтобы избежать ограничения шага по времени из-за условий Куранта .
Функциональность KIVA простирается от низких скоростей до сверхзвуковых потоков как для ламинарного , так и для турбулентного режимов. транспорт и химические реакции Предусмотрен для произвольного числа видов и их химических реакций. Метод стохастических частиц используется для расчета брызг испаряющейся жидкости, включая эффекты столкновений капель , агломерации и аэродинамического разрушения.
Хотя программа специально разработана для моделирования двигателей внутреннего сгорания , модульность кода позволяет легко вносить изменения для решения различных задач гидродинамики, связанных с химическими реакциями. Универсальность и набор функций сделали программы KIVA привлекательными для различных приложений, не связанных с двигателями; они варьируются от конвекционных башен до моделирования диоксида кремния конденсации в окислительных камерах высокого давления. Другие приложения включают анализ потоков в автомобильных каталитических нейтрализаторах , очистку дымовых труб электростанций, пиролитическую обработку биомассы , проектирование систем пожаротушения , импульсно-детонационные двигатели (ИДЭ), стационарные горелки, распыление аэрозолей, а также проектирование систем отопления, вентиляции и т.д. системы кондиционирования . Кодекс нашел широкое применение в автомобильной промышленности.
Версии
[ редактировать ]КИВА-3В
[ редактировать ]
KIVA-3V — наиболее зрелая версия KIVA, которая до сих пор поддерживается и распространяется через LANL; это улучшенная версия более ранней версии KIVA3 (1993 г.), удостоенной награды Федерального лабораторного консорциума за выдающиеся достижения в области передачи технологий, расширенной для моделирования вертикальных или наклонных клапанов в головке блока цилиндров бензинового или дизельного двигателя. [9] KIVA3, в свою очередь, был основан на более ранней версии KIVA2 (1989), использовал ту же процедуру численного решения и решал те же типы уравнений. [10]
KIVA-3V использует блочно-структурированную сетку с связностью, определяемой посредством косвенной адресации. Отход от единой прямоугольной структуры в логическом пространстве позволяет моделировать сложную геометрию со значительно большей эффективностью, поскольку большие области деактивированных ячеек больше не нужны. Граничные условия на поверхности ячейки обеспечивают большую гибкость и упрощение применения граничных условий. КИВА-3В также содержит ряд существенных улучшений по сравнению со своими предшественниками. Новые функции повысили надежность, эффективность и полезность всей программы моделирования двигателей. Автоматический перезапуск цикла с уменьшенным временным шагом в случае превышения лимита итераций или превышения температуры эффективно снижает сбои кода. Новая опция обеспечила автоматическую деактивацию области порта при его закрытии от цилиндра и повторную активацию при сообщении с цилиндром. Расширения модели пленки с жидкими стенками на основе частиц сделали модель более полной, а также была добавлена опция разделенного впрыска. Новая подпрограмма контролирует жидкую и газообразную фазы топлива, а данные энергетического баланса и выбросов отслеживаются и распечатываются. Кроме того, новые функции были добавлены в разработанный LANL генератор сетки K3PREP и графический постпроцессор KIVA K3POST. [10]
НИЦЦА-4
[ редактировать ]KIVA-4 поддерживается и распространяется через LANL. Хотя KIVA-4 сохраняет всю общность KIVA-3V, он добавляет возможность вычислений с неструктурированными сетками. Неструктурированные сетки создавать проще, чем структурированные для сложной геометрии. Неструктурированные сетки могут состоять из множества элементов, включая шестигранники , призмы , пирамиды и тетраэдры . Однако численная точность снижается, если сетка не состоит из шестигранников. KIVA-4 был разработан для работы со многими геометриями, включенными в KIVA-3V, включая 2D осесимметричную , 2D плоскую , 3D осесимметричную секторную геометрию и полную 3D геометрию. КИВА-4 также имеет многокомпонентный алгоритм испарения топлива. Многие численные алгоритмы в KIVA-3V правильно обобщаются на неструктурированные сетки; однако необходимы фундаментальные изменения в решении уравнения давления и потока количества движения. Кроме того, KIVA-4 циклически обрабатывает поверхности ячеек для вычисления условий диффузии . [11]
НИЦЦА 4 место
[ редактировать ]Недавно исследователи LANL разработали KIVA-4mpi, параллельную версию KIVA-4 и самую совершенную 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 Премией за выдающиеся авторские права за демонстрацию широты коммерческих приложений, потенциала создания экономической ценности и высочайшего уровня технического совершенства. [13]
КИВА-ЭКСЕК
[ редактировать ]KIVA-EXEC — это бесплатная пробная версия KIVA-4 с ограниченной функциональностью, предназначенная только для исполняемых файлов. KIVA-EXEC обладает всеми характеристиками главного кода KIVA-4 Лос-Аламосской национальной лаборатории, но с ограничением в 45 000 ячеек. [14] KIVA-EXEC идеально подходит для новичков, которым не нужно или не планируется изменять исходный код. [15]
ХОРОШЕЕ видео
[ редактировать ]- KIVA4 наклонный клапан [16]
- Чаша с зубчатым локтем [17]
- 4-клапанный КИВА-4 мпи [18]
- 4 Valve FEARCE, новое программное обеспечение LANL T-3 на основе FEM, 2018 г. (Дэвид Кэррингтон и Цзяцзя Уотерс)
Альтернативное программное обеспечение
[ редактировать ]- Библиотека расширенного моделирования (с открытым исходным кодом: AGPL) [19]
- COMSOL Мультифизика
- ЗАГЛУШКА [20]
- Код Сатурн (GPL)
- Холодная жидкость (LGPLv3) [21]
- сделка.II [22]
- FEATool Мультифизика [23]
- FreeCFD [ нужна ссылка ]
- Решатель потока Герриса [24]
- Нектар++ [25]
- ОпенФВМ [26]
- Код SU2 (LGPL) [27]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с «Моделирование процессов сгорания повышает эффективность двигателя» (PDF) . Eere.energy.gov . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Программа автомобильных технологий: исследования и разработки усовершенствованных двигателей внутреннего сгорания: цели, стратегии и основные достижения» (PDF) . Eere.energy.gov . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ Амсден, округ Колумбия, Амсден и А.А., История KIVA: Парадигма передачи технологий, Журнал IEEE Transactions on Professional Communication Journal, 36, (4), 190-195, декабрь 1993 г.
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 26 октября 2011 г. Проверено 24 октября 2011 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «Вычислительное моделирование двигателей» . Ornl.gov . Проверено 11 декабря 2012 г.
- ^ «Microsoft Word — cst_paper_revised_FINAL.doc» (PDF) . Personal.umich.edu . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ «Энергетические системы | Аргоннская национальная лаборатория» (PDF) . Transportation.anl.gov . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ «Исследование автомобильных двигателей HCCI» (PDF) . Eere.energy.gov . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ Управление науки (21 июня 2012 г.). «Награды 1993 года | Управление науки (SC) Министерства энергетики США» . Science.energy.gov . Проверено 11 декабря 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б «ESTSC — Найдите новейшее программное обеспечение Министерства энергетики США» . Osti.gov. 29 ноября 1999 г. Проверено 11 декабря 2012 г.
- ^ Торрес, DJ и Трухильо, MF, KIVA-4: Неструктурированный код ALE для потока сжимаемого газа с распылителями, Журнал вычислительной физики, 2006, том. 219, стр. 943-975.
- ^ Дэвид Торрес, Юаньхун Ли и Сонг-Чарнг Конг, Стратегии разделения для параллельного моделирования двигателя KIVA-4, компьютеры и жидкости, 2009 г.
- ^ «Награды присуждаются за выдающиеся инновации в сфере трансфера технологий» . Архивировано из оригинала 21 октября 2011 года . Проверено 24 октября 2011 г.
- ^ Лос-Аламосская национальная лаборатория • Основана в 1943 году. «КИВА-4: Лос-Аламосская национальная лаборатория» . Lanl.gov . Проверено 11 декабря 2012 г.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Национальная лаборатория Лос-Аламоса • Дата основания: 1943 г. «LANL | TT | Лицензия | Программное обеспечение | 2010» . Lanl.gov . Проверено 11 декабря 2012 г.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 31 октября 2011 г. Проверено 24 октября 2011 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 31 октября 2011 г. Проверено 24 октября 2011 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 31 октября 2011 г. Проверено 24 октября 2011 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «Библиотека расширенного моделирования» . АСЛ . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ «Коготьпак» . Depts.washington.edu . 21 января 2013 г. Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ Андреалани. «Главная · andrealani/COOLFluiD Wiki · GitHub» . Гитхаб.com . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ [1] Архивировано 8 июня 2012 г. в Wayback Machine.
- ^ «FEATool Multiphysicals — набор инструментов для моделирования физики конечных элементов Matlab FEM» . Featool.com . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ «Решатель потока Герриса» . Gfs.sf.net . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ «Нектар++ – Spectral/hp Element Framework» . Нектар.инфо . Проверено 14 июня 2016 г.
- ^ «Загрузка OpenFVM» . SourceForge.net . Проверено 27 сентября 2016 г.
- ^ «SU2, код CFD с открытым исходным кодом» . Su2.stanford.edu . doi : 10.1016/j.compfluid.2016.02.003 . Проверено 27 сентября 2016 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Бесплатная загрузка KIVA-EXEC, совместимая с Linux и предназначенная для личного использования (рекомендуется Red Hat).
- КИВА-4 Руководство пользователя
- Руководство КИВА-3В (0,4 МБ, с возможностью поиска в READER.)
- Руководство КИВА-3В (1,5 МБ, с возможностью поиска в READER.)
- Руководство КИВА-3 (2,2 МБ, с возможностью поиска в READER.)
- Руководство KIVA-II (9,0 МБ, отсканированный документ, без возможности поиска.)
- Группа гидродинамики и механики твердого тела Лос-Аламосской национальной лаборатории
- Отдел трансфера технологий Национальной лаборатории Лос-Аламоса