KIVA(소프트웨어)

KIVA (software)
키바
Kiva Simulation.jpg
DOHC 준대칭 펜트루프 연소실과 4개의 밸브를 이용한 실험 엔진의 KIVA 시뮬레이션
개발자로스 알라모스 국립 연구소
초기 릴리즈1985년; 37년 전 (1998년)
안정적 해제
KIVA-4mpi / 2009; 13년 전(2009)
운영 체제리눅스, 유닉스, 윈도우즈
다음에서 사용 가능포트란
유형물리학
면허증소유권
웹사이트www.lanl.gov/projects/feynman-center/deploying-innovation/intellectual-property/software-tools/kiva/index.php

KIVA는 Los Alamos National Laboratory(LANL)에서 개발한 Fortran 기반 Computing Fluid Dynamics 소프트웨어 제품군이다. 이 소프트웨어는 엔진의 점화, 연소, 오염물질 형성 과정뿐만 아니라 복잡한 연료와 공기 흐름을 예측한다. KIVA 모델은 연료의 자동점화와 같은 연소 화학 과정을 이해하고, 디젤 엔진을 최적화하여 고효율과 저배출량을 실현하기 위해 사용되어 왔다. 제너럴 모터스는 KIVA를 고속 연소, 균질 충전 가솔린 엔진뿐만 아니라 직접 분사, 층화 충전 가솔린 엔진 개발에 사용해 왔다.[1] 컴민스는 2007년 2010년 배출가스 기준을 충족할 수 있었던 고효율 2007 ISB 6.7-L 디젤엔진을 개발하기 위해 KIVA를 이용해 개발 시간과 비용을 10%~15% 절감했다. 동시에 모든 환경적, 고객적 제약조건을 충족시키면서 보다 견고한 설계와 개선된 연비를 실현했다.[2]

역사

LANL의 Computing Fluid Dynamics 전문지식은 1940년대 맨해튼 프로젝트의 시작부터 시작되었다. 미국이 1970년대 첫 에너지 위기 가운데 있음을 발견했을 때, 이 핵심 실험실 능력은 자동차 엔진을 보다 연비 효율적이고 깨끗하게 연소하도록 돕기 위해 고안된 내연기관 모델링 도구인 KIVA로 변형되었다. "키바"는 실제로 지하에 세워져 있고 지붕을 통해 사다리를 통해 위에서부터 들어오는 둥근 푸에블로 의례실로, LANL의 남서쪽 유산에 그려져 있으며, 실린더에 설정된 밸브를 통해 기체의 입출구가 이루어지는 전형적인 엔진 실린더와 유사하다.[3]

KIVA의 첫 공개는 1985년 아르곤네 국립 연구소의 국립 에너지 소프트웨어 센터(NESC)를 통해 이루어졌으며, 당시 에너지부가 후원하는 소프트웨어의 공식 유통 허브 역할을 했다. KIVA의 배급에는 에너지 과학 기술 소프트웨어 센터(ESTSC)테네시 주에 2008년 KIVA의 여러 버전의 분포 로스알라모스 국립 연구소의 기술 이전과(TT)로 돌아갈 때까지 계속되었다.[4]KIVA 기관 전 세계의 미국 빅 3자동차 makers,[1][5][6]Cummins,[2]캐터필러를 포함한 수백개에서 사용됩니다.,[7] 그리고 다양한 연방 연구실.[1][8]

개요

연비는 엔진 효율에 크게 의존하며, 엔진 실린더 내에서 연료가 연소되는 방식에 따라 크게 달라진다. 실린더 내 압력과 온도가 높아지면 연비가 높아지지만 연소 과정을 제어하는 데도 어려움이 가중된다. 제대로 제어되지 않고 불완전한 연소는 더 높은 수준의 배출과 낮은 엔진 효율을 초래할 수 있다.

연소 프로세스를 최적화하기 위해 엔진 설계자는 전통적으로 수동 엔진 개조를 수행하고, 테스트를 수행하고, 결과를 분석해왔다. 이 반복 과정은 매우 느리고 비용이 많이 들며 최적의 엔진 설계 규격을 확인하는 데 도움이 되지 않는다. 이러한 문제에 대응하여 로스 알라모스 국립 연구소 과학자들은 엔진의 인실린더 과정을 정확하게 시뮬레이션하는 첨단 컴퓨터 유체역학(CFD) 모델링 코드인 KIVA를 개발하였다.

스프레이로 화학적으로 반응하는 흐름을 분석하기 위한 과도기적 3차원 다중 효소 다중물질 코드인 KIVA는 LANL에서 수십 년 동안 개발되어 왔다. 이 코드는 시차 그리드에서 임의의 라그랑지안 오일러리안(ALE) 방법론을 사용하며, 유한 체적법을 사용하여 공간을 탈피한다. 코드는 명시적이지만 2차 단조로움을 보존하는 방식으로 주조되는 부가적인 용어를 제외하고 암묵적인 시간적 진전을 사용한다. 또한 대류 계산은 Courant 조건으로 인해 시간 단계가 제한되지 않도록 원하는 영역에서 하위 사이클링할 수 있다.

KIVA의 기능성은 저속에서 초음속 흐름까지 층과 난류 양쪽에 걸쳐 있다. 임의의 수의 종에 대한 운송 및 화학 반응과 그 화학 반응이 제공된다. 낙뢰 충돌, 응집, 공기역학적 분해 등의 영향을 포함하여 증발하는 액체 분무 계산에 확률 입자법을 사용한다.

내연기관 시뮬레이션을 위해 특별히 설계되었지만, 코드의 모듈화는 화학반응과 관련된 다양한 유체역학 문제를 해결하기 위해 손쉬운 수정을 용이하게 한다. 다양성과 다양한 특성은 KIVA 프로그램을 다양한 비엔진 애플리케이션에도 매력적으로 만들었다. 대류 타워에서 고압 산화 챔버의 이산화 실리콘 응축 모델링에 이르기까지 다양하다. 다른 애플리케이션에는 자동차 촉매변환기의 흐름 분석, 발전소 굴뚝 청소, 바이오매스의 화염 처리, 화재 진압 시스템의 설계, 펄스 폭발 엔진(PDE), 정지 버너, 에어로졸 분산 및 난방, 환기 및 에어컨 시스템의 설계가 포함되었다. 그 법규는 자동차 산업에 널리 적용되고 있는 것을 발견했다.

버전

키바-3V

KIVA-3V로 모델링된 엔진 실린더의 연료 충돌.

KIVA-3V는 여전히 LANL을 통해 유지 및 배포되고 있는 KIVA의 가장 성숙한 버전으로, 가솔린 또는 디젤 엔진의 실린더 헤드에 있는 수직 또는 통조림 밸브 모델까지 확장된 이전 연방 연구소 컨소시엄 우수 기술 이전상(1993)의 개선된 버전이다.[9] 결국 KIVA3는 이전의 KIVA2(1989년)에 기초하여 동일한 수치해결 절차를 사용하였고 동일한 유형의 방정식을 풀었다.[10]

KIVA-3V는 간접 주소 지정을 통해 정의된 연결성을 가진 블록 구조 메쉬를 사용한다. 논리 공간의 단일 직사각형 구조에서 벗어나면 더 이상 비활성화된 셀의 큰 영역이 필요하지 않기 때문에 복잡한 기하학적 구조를 훨씬 더 효율적으로 모델링할 수 있다. 세포면 경계 조건은 경계 조건의 적용에 있어 더 큰 유연성과 단순화를 허용한다. KIVA-3V는 또한 이전 모델에 비해 상당히 개선된 점이 많다. 새로운 기능은 엔진 모델링을 위한 전체 프로그램의 견고성, 효율성 및 유용성을 향상시켰다. 반복 제한 또는 온도 오버플로우가 효과적으로 코드 충돌을 줄일 수 있는 경우 감소된 타임스테프를 사용하여 사이클을 자동으로 재시작. 새로운 옵션은 포트 영역이 실린더에서 닫힐 때 포트 영역을 자동으로 비활성화하고, 포트 영역이 실린더와 통신할 때 다시 활성화하는 기능을 제공했다. 입자 기반 액체 벽 필름 모델에 대한 확장은 모델을 더욱 완전하게 만들었고 분할 주입 옵션도 추가되었다. 새로운 서브루틴은 액체 및 기체 연료 단계를 모니터링하고 에너지 밸런스 데이터와 배출물을 모니터링 및 인쇄한다. 또 LANL이 개발한 그리드 발전기 K3PREP와 KIVA 그래픽 포스트 프로세서 K3POST에 새로운 기능이 추가되었다.[10]

키바-4

KIVA-4는 LANL을 통해 유지·보급된다. KIVA-4는 KIVA-3V의 전체 일반성을 유지하는 한편, 비정형 그리드를 이용한 컴퓨팅 기능을 추가했다. 구조화되지 않은 그리드는 복잡한 기하학적 구조를 위한 구조화된 그리드보다 더 쉽게 생성될 수 있다. 구조화되지 않은 그리드는 육면체, 프리즘, 피라미드 및 사면체를 포함한 다양한 요소로 구성될 수 있다. 그러나 격자가 육각으로 구성되지 않으면 수치 정확도가 떨어진다. KIVA-4는 2D 축대칭, 2D 평면, 3D 축대칭 섹터 기하학 및 완전한 3D 기하학을 포함하는 KIVA-3V 내에 수용되는 많은 기하학으로 작동하도록 개발되었다. KIVA-4는 또한 다단자 연료 증발 알고리즘을 특징으로 한다. KIVA-3V의 많은 수치 알고리즘은 구조화되지 않은 메시에 적절하게 일반화되지만, 압력 방정식의 해결과 운동량의 유동화에 근본적인 변화가 필요했다. 또한, KIVA-4는 확산 용어를 계산하기 위해 셀 면 위로 루프를 돌린다.[11]

키바-4mpi

최근 LANL 연구진은 KIVA-4의 병렬 버전인 KIVA-4mpi와 LANL이 유지·보급하는 가장 진보된 버전의 KIVA-4mpi를 개발했다.KIVA-4mpi도 화학적으로 반응하고 난류하며 다상 점성 흐름을 해결하지만 분산된 컴퓨터 도메인(그리드)을 가진 복수의 컴퓨터 프로세서에서 이를 수행한다. KIVA-4mpi 내연기관 모델링 기능은 KIVA-4와 동일하며, KIVA-4 비정형 그리드 코드를 기반으로 한다. 이 소프트웨어는 메시지 전달 인터페이스(MPI)를 사용하여 여러 프로세서의 내연기관 모델링에 매우 적합하다.[12] 2011년 8월 9일, LANL은 광범위한 상업적 애플리케이션, 경제적 가치 창출 가능성, 최고 수준의 기술적 우수성을 입증한 공로로 KIVA-4mpi의 저자들에게 우수 저작권상을 수여하였다.[13]

키바-EXEC

KIVA-EXEC은 KIVA-4의 무료 기능 실행 파일 전용 시험 버전이다. KIVA-EXEC는 로스앨러모스 국립 연구소의 프리미어 KIVA-4 코드의 모든 성능을 가지고 있지만, 45K 셀 제한이 있다.[14] KIVA-EXEC은 소스 코드를 수정할 필요가 없거나 수정할 의사가 있는 초보자에게 안성맞춤이다.[15]

KIVA 동영상

  • KIVA4 경사 밸브[16]
  • 큐빗 가리비 사발[17]
  • 4 밸브 KIVA-4 mpi[18]
  • 4 밸브 FEARCE, 2018년 신규 FEM 기반 LANL T-3 소프트웨어(David Carrington 및 Jiajia Waters )

대체 소프트웨어

참조

  1. ^ a b c "Modeling of Combustion Processes Improves Engine Efficiency" (PDF). Eere.energy.gov. Retrieved 2016-09-27.
  2. ^ a b "Vehicle Technologies Program : Advanced Combustion Engine R&D: Goals, Strategies, and Top Accomplishments" (PDF). Eere.energy.gov. Retrieved 2016-09-27.
  3. ^ 암스든, D. C., 암스든, A. A, The KIVA Story: 기술 이전 패러다임, IEEE Transactions on Professional Communication Journal, 36, (4), 190-195, 1993년 12월
  4. ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2011-10-26. Retrieved 2011-10-24.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크)
  5. ^ "Computational Engine Modeling". Ornl.gov. Retrieved 2012-12-11.
  6. ^ "Microsoft Word - cst_paper_revised_FINAL.doc" (PDF). Personal.umich.edu. Retrieved 2016-09-27.
  7. ^ "Energy Systems Argonne National Laboratory" (PDF). Transportation.anl.gov. Retrieved 2016-09-27.
  8. ^ "Automotive HCCI Engine Research" (PDF). Eere.energy.gov. Retrieved 2016-09-27.
  9. ^ Office of Science (2012-06-21). "1993 Awards U.S. DOE Office of Science (SC)". Science.energy.gov. Retrieved 2012-12-11.
  10. ^ a b "ESTSC - Find the latest in U.S. Department of Energy Software". Osti.gov. 1999-11-29. Retrieved 2012-12-11.
  11. ^ 토레스, D.J.와 KIVA-4: 스프레이로 압축 가능한 가스 흐름을 위한 구조화되지 않은 ALE 코드, Journal of Computing Physics, 2006, vol. 219, 페이지 943-975.
  12. ^ David Tores, Yuanhong Li 및 Song-Charng Kong, 병렬 KIVA-4 엔진 시뮬레이션을 위한 분할 전략, 컴퓨터 및 유체, 2009
  13. ^ "Awards recognize outstanding innovation in Technology Transfer". Archived from the original on October 21, 2011. Retrieved October 24, 2011.
  14. ^ Los Alamos National Laboratory • Established 1943. "KIVA-4: Los Alamos National Laboratory". Lanl.gov. Retrieved 2012-12-11.{{cite web}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  15. ^ Los Alamos National Laboratory • Est 1943. "LANL TT License Software 2010". Lanl.gov. Retrieved 2012-12-11.{{cite web}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  16. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2011-10-31. Retrieved 2011-10-24.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크)
  17. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2011-10-31. Retrieved 2011-10-24.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크)
  18. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2011-10-31. Retrieved 2011-10-24.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크)
  19. ^ "Advanced Simulation Library". ASL. Retrieved 2016-09-27.
  20. ^ "Clawpack". Depts.washington.edu. 2013-01-21. Retrieved 2016-09-27.
  21. ^ andrealani. "Home · andrealani/COOLFluiD Wiki · GitHub". Github.com. Retrieved 2016-09-27.
  22. ^ [1] 웨이백 머신에 보관된 2012-06-08
  23. ^ "FEATool Multiphysics - Matlab FEM Finite Element Physics Simulation Toolbox". Featool.com. Retrieved 2016-09-27.
  24. ^ "Gerris Flow Solver". Gfs.sf.net. Retrieved 2016-09-27.
  25. ^ "Nektar++ – Spectral/hp Element Framework". Nektar.info. Retrieved 2016-06-14.
  26. ^ "OpenFVM download". SourceForge.net. Retrieved 2016-09-27.
  27. ^ "SU2, the open-source CFD code". Su2.stanford.edu. doi:10.1016/j.compfluid.2016.02.003. Retrieved 2016-09-27.

외부 링크