KIVA（ソフトウェア）

キヴァ

DOHC準対称ペントルーフ燃焼室と 4 つのバルブを備えた実験用エンジンの KIVA シミュレーション。
開発者	ロスアラモス国立研究所
初回リリース	1985年; 39年前 （1985年）
安定版リリース	KIVA-4mpi / 2009 ; 15年前 （2009年）
オペレーティング·システム	Linux、Unix、Windows
利用可能	フォートラン
タイプ	物理
ライセンス	独自
Webサイト	www.lanl.gov/projects/feynman-center/deploying-innovation/intellectual-property/software-tools/kiva/index.php

KIVA は、ロスアラモス国立研究所(LANL)が開発したFortranベースの数値流体力学 ソフトウェアファミリです。このソフトウェアは、複雑な燃料と空気の流れ、およびエンジン内の点火、燃焼、汚染物質形成プロセスを予測します。KIVA モデルは、燃料の自動点火などの燃焼化学プロセスを理解し、ディーゼル エンジンを高効率で低排出ガスに最適化するために使用されています。ゼネラル モーターズは、直噴層状充填ガソリン エンジンと高速燃焼均質充填ガソリン エンジンの開発に KIVA を使用しています。^[1]カミンズは、 KIVA を使用して開発時間とコストを 10%～15% 削減し、2007 年に 2010 年の排出基準を満たすことができる高効率の 2007 ISB 6.7-L ディーゼル エンジンを開発しました。同時に、同社は環境と顧客のすべての制約を満たしながら、より堅牢な設計と燃費の向上を実現しました。^[2]

LANL の計算流体力学の専門知識は、1940 年代のマンハッタン計画の当初から蓄積されています。1970年代に米国が第一次エネルギー危機の真っ只中にあったとき、この中核的な研究所の能力は、自動車エンジンの燃費効率と燃焼効率を向上させるために設計された内燃機関モデリング ツールである KIVA に変わりました。「キバ」は実際には円形のプエブロ族の儀式室で、地下に設置され、屋根をはしごで上って上に入ります。LANL の南西部の伝統に倣って、ガスの出入りがシリンダーに取り付けられたバルブによって行われる典型的なエンジン シリンダーに類似しています。 ^[3]

KIVA の最初の公開は 1985 年にアルゴンヌ国立研究所の国立エネルギーソフトウェアセンター (NESC) を通じて行われました。NESC は当時、米国エネルギー省が後援するソフトウェアの公式配布ハブとして機能していました。KIVA の配布はテネシー州オークリッジのエネルギー科学技術ソフトウェアセンター (ESTSC) を通じて継続され、2008 年に複数のバージョンの KIVA の配布が LANL の技術移転部門 (TT) に戻りました。^{[4] KIVA は、米国}のビッグ スリー自動車メーカー、^{[1] [5] [6]}カミンズ、^[2]キャタピラー、^[7]およびさまざまな連邦研究所を含む世界中の何百もの機関で使用されています。 ^{[1] [8]}

燃費はエンジン効率に大きく依存しており、エンジン効率はエンジンのシリンダー内で燃料がどのように燃焼するかに大きく依存しています。シリンダー内の圧力と温度が高くなると燃費は向上しますが、燃焼プロセスの制御が難しくなります。制御が不十分で不完全な燃焼は、排出量の増加とエンジン効率の低下を引き起こす可能性があります。

燃焼プロセスを最適化するために、エンジン設計者は従来、手動でエンジンを変更し、テストを実施し、結果を分析してきました。この反復プロセスは、非常に時間がかかり、コストがかかり、最適なエンジン設計仕様を特定するのに役立ちません。これらの問題に対処するため、ロスアラモス国立研究所の科学者は、エンジンのシリンダー内プロセスを正確にシミュレートする高度な数値流体力学(CFD) モデリング コードである KIVA を開発しました。

KIVA は、スプレーを伴う化学反応流の解析のための非定常、3 次元、多相、多成分コードであり、数十年にわたって LANL で開発されてきました。このコードは、スタッガードグリッド上で任意ラグランジュ オイラー (ALE) 法を使用し、有限体積法を使用して空間を離散化します。このコードは、明示的だが 2 次単調性を維持する方法でキャストされる移流項を除いて、暗黙的な時間進行を使用します。また、対流計算は、クーラン条件による時間ステップの制限を回避するために、必要な領域でサブサイクル化できます。

KIVA の機能は、層流と乱流の両方の領域で、低速から超音速の流れまで拡張されます。任意の数の種の輸送と化学反応、およびそれらの化学反応が提供されます。確率的粒子法を使用して、液滴の衝突、凝集、および空気力学的破壊の影響を含む、蒸発する液体スプレーを計算します。

このコードは特に内燃機関のシミュレーション用に設計されていますが、モジュール方式のため、化学反応を伴うさまざまな流体力学の問題を解決するために簡単に修正できます。多用途で機能の幅が広いため、KIVA プログラムは、対流塔から高圧酸化チャンバー内の二酸化ケイ素の 凝縮のモデリングまで、さまざまな非エンジン アプリケーションにも魅力的です。その他のアプリケーションには、自動車用触媒コンバーター内の流れの解析、発電所の煙突洗浄、バイオマスの熱分解処理、消火システムの設計、パルスデトネーションエンジン(PDE)、固定バーナー、エアロゾル分散、暖房、換気、空調システムの設計などがあります。このコードは、自動車業界で幅広く使用されています。

KIVA-3Vは、現在もLANLを通じて維持・配布されているKIVAの最も成熟したバージョンです。これは、連邦研究所コンソーシアムの技術移転優秀賞を受賞したKIVA3（1993）の改良版であり、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンのシリンダーヘッドの垂直バルブまたは傾斜バルブをモデル化するように拡張されています。^[9] KIVA3は、以前のKIVA2（1989）に基づいており、同じ数値解法手順を使用し、同じタイプの方程式を解きました。^[10]

KIVA-3V は、間接アドレス指定によって接続性が定義されたブロック構造メッシュを使用します。論理空間の単一の長方形構造から脱却することで、非アクティブ化されたセルの大きな領域が不要になるため、複雑な形状を非常に効率的にモデル化できます。セル面境界条件により、境界条件の適用における柔軟性と簡素化が向上します。KIVA-3V には、以前のバージョンに比べていくつかの重要な改善点もあります。新しい機能により、エンジン モデリングのプログラム全体の堅牢性、効率、有用性が向上しました。反復制限または温度オーバーフローが発生した場合に、短縮されたタイムステップでサイクルを自動的に再開することで、コード クラッシュが効果的に削減されました。新しいオプションにより、ポート領域がシリンダから閉じられている場合は自動的に非アクティブになり、シリンダと通信している場合は再度アクティブになります。粒子ベースの液体壁膜モデルの拡張により、モデルがより完全になり、分割噴射オプションも追加されました。新しいサブルーチンは、液体および気体の燃料相を監視し、エネルギー バランス データと排出量を監視して印刷します。さらに、LANLが開発したグリッドジェネレーターK3PREPとKIVAグラフィックスポストプロセッサK3POSTに新しい機能が追加されました。^[10]

KIVA-4 は、LANL を通じて保守および配布されています。KIVA-4 は KIVA-3V の完全な汎用性を維持しながら、非構造化グリッドでの計算機能を追加しています。非構造化グリッドは、複雑な形状に対して構造化グリッドよりも簡単に生成できます。非構造化グリッドは、六面体、角柱、ピラミッド、四面体など、さまざまな要素で構成できます。ただし、グリッドが六面体で構成されていない場合、数値精度は低下します。KIVA-4 は、KIVA-3V 内に対応する多くの形状 (2D軸対称、2D平面、3D 軸対称セクター形状、完全な 3D 形状など) で動作するように開発されました。KIVA-4 には、多成分燃料蒸発アルゴリズムも備わっています。KIVA-3V の数値アルゴリズムの多くは、非構造化メッシュに適切に一般化されます。しかし、圧力方程式の解法と運動量のフラックスには根本的な変更が必要でした。さらに、KIVA-4は拡散項を計算するためにセル面をループします。^[11]

最近、LANL の研究者は KIVA-4 の並列バージョンである KIVA-4mpi を開発しました。これは LANL が保守および配布している KIVA の最も高度なバージョンです。KIVA-4mpi も化学反応を伴う乱流多相粘性流を解析しますが、分散計算領域 (グリッド) を持つ複数のコンピュータ プロセッサ上でこれを実行します。KIVA-4mpi の内燃機関モデリング機能は KIVA-4 と同じで、KIVA-4 の非構造化グリッド コードに基づいています。このソフトウェアは、メッセージ パッシング インターフェイス(MPI) を使用して複数のプロセッサ上で内燃機関をモデリングするのに適しています。^[12] 2011 年 8 月 9 日、LANL は KIVA-4mpi の作者に、幅広い商用アプリケーション、経済的価値を生み出す可能性、および最高レベルの技術的卓越性を実証したとして著名著作権賞を授与しました。^[13]

KIVA-EXECは、KIVA-4の機能限定版の無料試用版で、実行ファイルのみの試用版です。KIVA-EXECは、ロスアラモス国立研究所のプレミアKIVA-4コードのすべてのパフォーマンスを備えていますが、45Kセルの制限があります。^[14] KIVA-EXECは、ソースコードを変更する必要がない、または変更するつもりのない初心者に最適です。^[15]

• KIVA4スラントバルブ^[16]
• キュビットのスカラップボウル^[17]
• 4バルブKIVA-4mpi ^[18]
• 4 Valve FEARCE、2018年の新FEMベースLANL T-3ソフトウェア（David CarringtonとJiajia Waters）

• 高度シミュレーションライブラリ（オープンソース：AGPL）^[19]
• COMSOL マルチフィジックス
• クローパック^[20]
• コードサターン(GPL)
• クールフルイド（LGPLv3）^[21]
• ディールII ^[22]
• FEAToolマルチフィジックス^[23]
• FreeCFD ^{[引用が必要]}
• ジェリスフローソルバー^[24]
• ネクター++ ^[25]
• オープンFVM ^[26]
• SU2コード（LGPL）^[27]

• 無料の個人用 Linux 互換 (Red Hat 推奨) KIVA-EXEC ダウンロード
• KIVA-4 ユーザーマニュアル
• KIVA-3V マニュアル (0.4MB、READER 内で検索可能)
• KIVA-3V マニュアル (1.5MB、READER 内で検索可能)
• KIVA-3 マニュアル (2.2 MB、READER 内で検索可能)
• KIVA-II マニュアル (9.0MB、スキャンされた文書、検索不可)
• ロスアラモス国立研究所の流体力学および固体力学グループ
• ロスアラモス国立研究所技術移転部門