คิวา
การจำลองด้วยโปรแกรม KIVA ของเครื่องยนต์ทดลองที่มี ห้องเผาไหม้แบบ DOHCกึ่งสมมาตรทรงหลังคาห้าเหลี่ยมและวาล์ว 4 ตัว
นักพัฒนา	ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลามอส
ปล่อย	พ.ศ. 2528 ( 1985 )
เวอร์ชันเสถียร	KIVA-4mpi / 2009 ( 2009 )
เขียนเป็น	ฟอร์ทราน
ระบบปฏิบัติการ	ลินุกซ์ , ยูนิกซ์ , วินโดวส์
พิมพ์	ฟิสิกส์
ใบอนุญาต	กรรมสิทธิ์
เว็บไซต์	www .osti .gov /biblio /1177537

KIVAเป็นตระกูลซอฟต์แวร์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณที่ใช้ภาษาFortranซึ่งพัฒนาโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลาโมส (LANL) ซอฟต์แวร์นี้ทำนายการไหลของเชื้อเพลิงและอากาศที่ซับซ้อน รวมถึง กระบวนการ จุดระเบิดการเผาไหม้และการก่อตัวของมลพิษในเครื่องยนต์ โมเดล KIVA ถูกนำมาใช้เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการทางเคมีของการเผาไหม้ เช่น การจุดระเบิดเองของเชื้อเพลิง และเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องยนต์ดีเซลให้มีประสิทธิภาพสูงและปล่อยมลพิษต่ำGeneral Motorsได้ใช้ KIVA ในการพัฒนาเครื่องยนต์เบนซินแบบฉีดตรงและแบบประจุแบ่งชั้น รวมถึงเครื่องยนต์เบนซินแบบเผาไหม้เร็วและแบบประจุสม่ำเสมอ^{[ 1 ]} Cummins ลดเวลาและต้นทุนในการพัฒนาลง 10%–15% โดยใช้ KIVA ในการพัฒนา เครื่องยนต์ดีเซล ISB 6.7 ลิตรประสิทธิภาพสูงรุ่นปี 2007 ซึ่งสามารถผ่านมาตรฐานการปล่อยมลพิษปี 2010 ได้ในปี 2007 ในขณะเดียวกัน บริษัทก็ได้ออกแบบที่แข็งแรงทนทานมากขึ้นและประหยัดเชื้อเพลิงได้ดีขึ้น ในขณะที่ยังคงรักษาสิ่งแวดล้อมและตอบสนองความต้องการของลูกค้าได้ทั้งหมด^{[ 2 ]}

ความเชี่ยวชาญด้านพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณของ LANL มีมาตั้งแต่เริ่มต้นโครงการแมนฮัตตันในช่วงทศวรรษ 1940 เมื่อสหรัฐอเมริกาพบว่าตัวเองอยู่ท่ามกลางวิกฤตพลังงานครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1970 ความสามารถหลักของห้องปฏิบัติการนี้ได้เปลี่ยนไปเป็น KIVA ซึ่งเป็น เครื่องมือจำลอง เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ออกแบบมาเพื่อช่วยให้เครื่องยนต์รถยนต์ประหยัดเชื้อเพลิงและเผาไหม้สะอาดขึ้น " kiva " จริงๆ แล้วคือห้องประกอบพิธีกรรมทรงกลมของชาวปวยบลอที่ตั้งอยู่ใต้ดินและเข้าจากด้านบนโดยใช้บันไดผ่านหลังคา โดยอ้างอิงจากมรดกทางตะวันตกเฉียงใต้ของ LANL จึงมีการเปรียบเทียบกับกระบอกสูบเครื่องยนต์ ทั่วไป ซึ่งการเข้าและออกของก๊าซทำได้โดยวาล์วที่ติดตั้งอยู่ในกระบอกสูบ^{[ 3 ]}

KIVA เวอร์ชันแรกที่เผยแพร่สู่สาธารณะเกิดขึ้นในปี 1985 โดยศูนย์ซอฟต์แวร์พลังงานแห่งชาติ (NESC) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนซึ่งในขณะนั้นทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการจัดจำหน่ายอย่างเป็นทางการสำหรับ ซอฟต์แวร์ที่ได้รับการสนับสนุน จากกระทรวงพลังงานการจัดจำหน่าย KIVA ดำเนินต่อไปผ่านศูนย์ซอฟต์แวร์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีพลังงาน (ESTSC) ในโอ๊คริดจ์รัฐเทนเนสซีจนถึงปี 2008 เมื่อการจัดจำหน่าย KIVA หลายเวอร์ชันกลับมาอยู่ภายใต้การดูแลของ แผนก ถ่ายทอดเทคโนโลยี (TT) ของ LANL ^{[ 4 ]} KIVA ถูกใช้โดยสถาบันหลายร้อยแห่งทั่วโลก รวมถึง ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ ³รายของสหรัฐฯ [ ^{1 ] [ 5 ] [ 6 ]}คัมมินส์ [ ^{2 ]}แค็บเพลท [ ^{7 ] และ ห้อง ปฏิบัติการ}ของรัฐบาลกลางต่างๆ^{[ 1 ] [ 8 ]}

อัตราการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ เป็นอย่างมาก ซึ่งประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ก็ขึ้นอยู่กับวิธีการเผาไหม้เชื้อเพลิงภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต์เช่นกัน แรงดันและอุณหภูมิภายในกระบอกสูบที่สูงขึ้นจะนำไปสู่การประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงที่เพิ่มขึ้น แต่ก็ทำให้การควบคุม กระบวนการ เผาไหม้ ทำได้ยากขึ้น ด้วย การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์และควบคุมได้ไม่ดีอาจทำให้เกิดมลพิษมากขึ้นและประสิทธิภาพ ของเครื่องยนต์ ลดลง

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเผาไหม้ นักออกแบบเครื่องยนต์มักทำการปรับแต่งเครื่องยนต์ด้วยตนเอง ดำเนินการทดสอบ และวิเคราะห์ผลลัพธ์ กระบวนการแบบวนซ้ำนี้ช้ามาก มีค่าใช้จ่ายสูง และไม่เอื้อต่อการระบุข้อกำหนดการออกแบบเครื่องยนต์ที่เหมาะสมที่สุด เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลามอสจึงพัฒนา KIVA ซึ่งเป็น รหัสจำลอง พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) ขั้นสูง ที่จำลองกระบวนการภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ได้อย่างแม่นยำ

KIVA เป็นโปรแกรมวิเคราะห์การไหลที่มีปฏิกิริยาทางเคมีแบบสามมิติหลายเฟสหลาย องค์ประกอบ ที่เกิด ขึ้นชั่วคราว ซึ่งได้รับการพัฒนาที่ LANL มานานหลายทศวรรษ โปรแกรมนี้ใช้วิธีการ Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) บนกริด แบบสลับตำแหน่ง และแบ่งพื้นที่โดยใช้วิธีปริมาตรจำกัดโปรแกรมนี้ใช้การคำนวณเวลาแบบปริยาย ยกเว้นเทอม การพา ความร้อน ซึ่งกำหนดในรูปแบบที่ชัดเจนแต่รักษา ความเป็นเอกรูปอันดับสองนอกจากนี้ การคำนวณ การพาความร้อนสามารถแบ่งย่อยได้ในบริเวณที่ต้องการเพื่อหลีกเลี่ยงการจำกัดขั้นตอนเวลาเนื่องจากเงื่อนไข ของ Courant

ฟังก์ชันการทำงานของ KIVA ครอบคลุมตั้งแต่ความเร็วต่ำไปจนถึง การไหล เหนือเสียงทั้งใน สภาวะการ ไหลแบบราบเรียบและแบบปั่นป่วน มีการจำลอง การขนส่งและปฏิกิริยาเคมีสำหรับจำนวนชนิดของสารและปฏิกิริยาเคมีต่างๆ นอกจากนี้ ยังใช้วิธีอนุภาค สุ่มในการคำนวณการระเหยของละอองของเหลว รวมถึงผลกระทบจากการชนกันของหยดน้ำการรวมกลุ่มและการแตก ตัวทางอากาศพลศาสตร์

แม้ว่าโปรแกรม KIVA จะได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการจำลองเครื่องยนต์สันดาปภายในแต่โครงสร้างแบบโมดูลาร์ของโค้ดช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนได้ง่ายเพื่อแก้ ปัญหา ทางด้านอุทกพลศาสตร์ที่ หลากหลาย ซึ่งเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมี ความสามารถรอบด้านและคุณสมบัติที่หลากหลายทำให้โปรแกรม KIVA น่าสนใจสำหรับแอปพลิเคชันที่ไม่เกี่ยวข้องกับเครื่องยนต์ด้วยเช่นกัน ตั้งแต่หอการพาความร้อนไปจนถึงการจำลองการควบแน่นของซิลิคอนไดออกไซด์ ในห้อง ออกซิเดชันแรงดันสูง แอปพลิ เคชันอื่นๆ ได้แก่ การวิเคราะห์การไหลในตัวแปลงไอเสีย ของรถยนต์ การทำความสะอาด ปล่อง ควันของ โรงไฟฟ้าการบำบัด ชีว มวลด้วยความร้อนสูง การออกแบบระบบดับเพลิงเครื่องยนต์ระเบิดแบบพัลส์ (PDEs) หัวเผาแบบอยู่กับที่ การกระจายตัวของละอองลอย และการออกแบบระบบทำความร้อน การระบายอากาศ และเครื่องปรับอากาศโค้ดนี้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์

KIVA-3V เป็นเวอร์ชันที่สมบูรณ์ที่สุดของ KIVA ที่ยังคงได้รับการดูแลและเผยแพร่ผ่าน LANL โดยเป็นเวอร์ชันที่ได้รับการปรับปรุงจาก KIVA3 (1993) ซึ่งได้รับรางวัล Federal Laboratory Consortium Excellence in Technology Transfer Award เวอร์ชันก่อนหน้า โดยขยายให้สามารถจำลองวาล์วแนวตั้งหรือเอียงในฝาสูบของเครื่องยนต์เบนซินหรือดีเซลได้^{[ 9 ]} KIVA3 นั้นมีพื้นฐานมาจาก KIVA2 (1989) และ KIVA (1985) เวอร์ชันก่อนหน้า และใช้ขั้นตอนการแก้ปัญหาเชิงตัวเลขแบบเดียวกันและแก้สมการประเภทเดียวกัน^{[ 10 ]}

KIVA-3V ใช้โครงสร้างตาข่ายแบบบล็อกที่มีการเชื่อมต่อกำหนดผ่านการระบุตำแหน่งทางอ้อม การเปลี่ยนแปลงจากโครงสร้างสี่เหลี่ยมผืนผ้าเดี่ยวในพื้นที่ตรรกะทำให้สามารถจำลองรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีพื้นที่เซลล์ที่ปิดใช้งานขนาดใหญ่ เงื่อนไขขอบเขตของหน้าเซลล์ช่วยให้มีความยืดหยุ่นและลดความซับซ้อนในการใช้งานเงื่อนไขขอบเขตมากขึ้น KIVA-3V ยังมีการปรับปรุงที่สำคัญหลายประการเมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า คุณสมบัติใหม่ช่วยเพิ่มความแข็งแกร่ง ประสิทธิภาพ และประโยชน์ใช้สอยของโปรแกรมโดยรวมสำหรับการจำลองเครื่องยนต์ การเริ่มต้นรอบการทำงานใหม่โดยอัตโนมัติด้วยขั้นตอนเวลาที่ลดลงในกรณีที่ถึงขีดจำกัดการวนซ้ำหรืออุณหภูมิเกินช่วยลดการหยุดทำงานของโค้ดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวเลือกใหม่ช่วยให้สามารถปิดใช้งานพื้นที่พอร์ตโดยอัตโนมัติเมื่อปิดจากกระบอกสูบและเปิดใช้งานอีกครั้งเมื่อมีการสื่อสารกับกระบอกสูบ การขยายแบบจำลองฟิล์มผนังของเหลวแบบอนุภาคทำให้แบบจำลองสมบูรณ์ยิ่งขึ้น และยังเพิ่มตัวเลือกการฉีดแบบแยกส่วนอีกด้วย รูทีนย่อยใหม่จะตรวจสอบเฟสเชื้อเพลิงเหลวและก๊าซ และข้อมูลสมดุลพลังงานและการปล่อยมลพิษจะถูกตรวจสอบและพิมพ์ออกมา นอกจากนี้ ยังมีการเพิ่มคุณสมบัติใหม่ให้กับตัวสร้างกริดที่พัฒนาโดย LANL คือ K3PREP และตัวประมวลผลกราฟิกหลังการประมวลผล KIVA คือ K3POST ^{[ 10 ]}

KIVA-4 ได้รับการดูแลและเผยแพร่โดย LANL แม้ว่า KIVA-4 จะยังคงรักษาคุณสมบัติทั่วไปของ KIVA-3V ไว้ แต่ก็เพิ่มความสามารถในการคำนวณด้วยกริดแบบไม่เป็นระเบียบ กริดแบบไม่เป็นระเบียบสามารถสร้างได้ง่ายกว่ากริดแบบเป็นระเบียบสำหรับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน กริดแบบไม่เป็นระเบียบอาจประกอบด้วยองค์ประกอบที่หลากหลาย รวมถึงทรงหกเหลี่ยม ปริซึม พีระมิด และทรงสี่เหลี่ยมด้านเท่าอย่างไรก็ตามความแม่นยำเชิงตัวเลขจะลดลงเมื่อกริดไม่ได้ประกอบด้วยทรงหกเหลี่ยม KIVA-4 ได้รับการพัฒนาให้ทำงานกับรูปทรงเรขาคณิตจำนวนมากที่รองรับใน KIVA-3V ซึ่งรวมถึง รูปทรง เรขาคณิต แบบสมมาตรแกน 2 มิติ ระนาบ 2 มิติรูปทรงเรขาคณิตแบบสมมาตรแกน 3 มิติ และรูปทรงเรขาคณิต 3 มิติเต็มรูปแบบ KIVA-4 ยังมีอัลกอริทึมการระเหยเชื้อเพลิงแบบหลายองค์ประกอบ อัลกอริทึมเชิงตัวเลขจำนวนมากใน KIVA-3V สามารถใช้งานได้อย่างเหมาะสมกับตาข่ายแบบไม่เป็นระเบียบ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในการแก้ปัญหาสมการความดันและการไหลของโมเมนตัม นอกจากนี้ KIVA-4 ยังวนรอบหน้าเซลล์เพื่อคำนวณเทอมการแพร่กระจาย^{[ 11 ]}

เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยของ LANL ได้พัฒนา KIVA-4mpi ซึ่งเป็นเวอร์ชันคู่ขนานของ KIVA-4 และเป็นเวอร์ชันที่ทันสมัยที่สุดของ KIVA ที่ LANL ดูแลและเผยแพร่ KIVA-4mpi ยังสามารถแก้ปัญหาการไหลแบบหนืดหลายเฟสที่มีปฏิกิริยาทางเคมีและปั่นป่วนได้ แต่ทำบนโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์หลายตัวด้วยโดเมนการคำนวณแบบกระจาย (กริด) ความสามารถในการจำลองเครื่องยนต์สันดาปภายในของ KIVA-4mpi นั้นเหมือนกับของ KIVA-4 และอิงตามโค้ดกริดที่ไม่มีโครงสร้างของ KIVA-4 ซอฟต์แวร์นี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจำลองเครื่องยนต์สันดาปภายในบนโปรเซสเซอร์หลายตัวโดยใช้ส่วนต่อประสานการส่งข้อความ (MPI) ^{[ 12 ]}เมื่อวันที่ 9 สิงหาคม 2554 LANL ได้มอบรางวัลลิขสิทธิ์ดีเด่นให้แก่ผู้เขียน KIVA-4mpi สำหรับการแสดงให้เห็นถึงการใช้งานเชิงพาณิชย์ที่หลากหลาย ศักยภาพในการสร้างมูลค่าทางเศรษฐกิจ และความเป็นเลิศทางเทคนิคในระดับสูงสุด^{[ 13 ]}

KIVA-EXEC เป็นเวอร์ชันทดลองใช้งานฟรีที่มีฟังก์ชันการทำงานลดลงของ KIVA-4 KIVA-EXEC มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับโค้ด KIVA-4 ระดับพรีเมียมของห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลามอส แต่มีข้อจำกัดเรื่องจำนวนเซลล์ที่ 45,000 เซลล์^{[ 14 ]} KIVA-EXEC เหมาะสำหรับผู้เริ่มต้นที่ไม่ต้องการหรือไม่ได้ตั้งใจที่จะแก้ไขซอร์สโค้ด^{[ 15 ]}

• วาล์วเอียง KIVA4 ^{[ 16 ]}
• ชามขอบหยักขนาดคิวบิต^{[ 17 ]}
• 4 วาล์ว KIVA-4 mpi ^{[ 18 ]}
• 4 Valve FEARCE, ซอฟต์แวร์ LANL T-3 ที่ใช้ FEM รุ่นใหม่ปี 2018 (David Carrington และ Jiajia Waters)

• ไลบรารีการจำลองขั้นสูง (โอเพนซอร์ส: AGPL) ^{[ 19 ]}
• COMSOL Multiphysics
• กรงเล็บ^{[ 20 ]}
• โค้ด Saturne (GPL)
• คูลฟลูอิด (LGPLv3) ^{[ 21 ]}
• ข้อตกลง II ^{[ 22 ]}
• FEATool Multiphysics ^{[ 23 ]}
• ฟรีซีเอฟดี
• Gerris Flow Solver ^{[ 24 ]}
• เนคทาร์++ ^{[ 25 ]}
• OpenFVM ^{[ 26 ]}
• รหัส SU2 (LGPL) ^{[ 27 ]}

• ดาวน์โหลด KIVA-EXEC เวอร์ชันฟรี สำหรับใช้งานส่วนตัว บนระบบ Linux (แนะนำ Red Hat)
• คู่มือผู้ใช้ KIVA-4
• คู่มือการใช้งาน KIVA-3V (0.4MB สามารถค้นหาได้ภายในโปรแกรม READER)
• คู่มือการใช้งาน KIVA-3V (1.5MB สามารถค้นหาได้ภายในโปรแกรม READER)
• คู่มือการใช้งาน KIVA-3 (2.2 MB, สามารถค้นหาได้ภายใน READER)
• คู่มือการใช้งาน KIVA-II (9.0MB, เอกสารสแกน, ไม่สามารถค้นหาข้อมูลได้)
• กลุ่มพลศาสตร์ของไหลและกลศาสตร์ของแข็งของห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลามอส
• แผนกถ่ายทอดเทคโนโลยีของห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลามอส