KIVA程序介绍(自己总结)

KIVA系列程序的进展内燃机工作过程数值计算经受了从零维模型20LosAlamos国家试验室开发的KIVA系列程序最具代表性。1975年，美国LosAlamos国家试验室公布了一份争论报告，首次推出了二维RICE程序。动力学来模拟实际化学动力学，用特定的有限差分公式来有效地处理低马赫音速问题,这就KIVA程序最原始的雏形。随后，ButlerCloutmanRICE程序的根底上承受了ALE法(ArbitraryLagrangian-Euler)动的描述[6]。随后，美国LosAlamos1979年推出了RICE程序的版本——CONCHAS流的影响。1982年，Cloutman和Amsden等人把喷雾模型引用到 CONCHAS程序中，发表了CONCHAS-SPRAY程序的争论报告正如其名称所示，CONCHAS-SPRAY程序增加了喷射动力模型同时该程序把快速和慢速反响区分为化学平衡反响和化学动力学反响并考虑了非基元反响的影响。CONCHAS-SPRAY之后，1985LosAlamos国家试验室推出用于内燃机化学反响流模拟的大型三维程序KIVA，它将二维的CONCHAS-SPRAY程序进展成能用一样的模式处体射流问题。它扩大了喷雾模型，可处理喷雾和炭化问题，同时凹凸马赫数的计算效率。1989年，AnthonyA.AmsdenKIVAKIVA-2程序，该程序在计算效率、计算精度、物理子模型、使用便利性和通用性方面都有了很大提高，集中表达了美国LosAlamos国家试验室在内燃机燃烧过程多维数值模拟方面的争论工作。KIVA-2程序使用了改进的kε湍流模型〔双方程模型，对缸内湍流进展模拟，并增加了液滴气体动力学裂开模型,KIVA-2的公式和数学计算过程具有通学反响随实际状况而变化。1993LosAlamos国家试验室在KIVA-2程序的根底上研制出KIVA-3简洁的几何外形，既节约了存储空间，又提高了计算速度。KIVA-3程序用外表波增长模型(Surface-Wave-GrowthModel)TAB和温度的工况〔例如增压程的模拟。19973月，KIVA-3的改进版KIVA-3VHessel气门模型，气门可以有各自的升程曲线，气门可以是垂直的也可以是倾斜的。因此KIVA-3V可以模拟伴和废气的生成等，几乎包括了发动机工作过程中的全部物理现象。KIVA-3V的另一特点是增KIVA-3中的气道喷油和缸内喷油时考虑与壁面相互作用的状况，它包括喷油附壁、溅射，任意简洁壁面上油膜在空气动力学效应下的流淌，油膜和油膜重进入气流时的热量和质量的交换。KIVA-3V还增加了混合把握的湍流燃烧模型和碳烟模型，还增加了燃料数据库，其中包括汽油、柴油和酒精等多种燃料。19995月，KIVA-3VRel2公布，该版本使发动机模拟程序更加成熟，在此程序中提高了〔温度溢出在发动机的喷雾争论中，又增加了一个裂开喷雾模型。2023年消灭了KIVA-3VERCKIVA-3VRel280％是利用KIVA系列程序计算的。正因如此，KIVA系列程序得到了越来越广泛的应用。随着KIVA程序数学模型的逐步完善，它已经可以用来模拟内燃机的燃烧和排放。目前，KIVA系列程序已进入了一个黄金过内燃机工作过程模拟已经显示出，它不仅是理解燃烧和有害排放物生成的工具，也可以用于发动机的设计，在汽车工业中发挥出更大的作用。其次章KIVA-3V程序构造介绍根本状况KIVA是美国LosAlamos国家试验室推出的用于发动机工作过程仿真计算的程序集的总称。1985KIVA程序问世以来，得到了不断的进展和完善，间续消灭了KIVA-2、KIVA-3、KIVA-3VKIVA-3VRel2KIVA-3VERCKIVA系列程序得到了越来越广泛的应用，世界各国，很多大学和争论机构以及各大汽车公司都投身于相应的争论之中。目前，KIVA系列程序已进入了一个黄金进展阶段。KIVA-3V程序集的构造KIVA-3V2-1所示：KIVA-3V程序集包含前处理(K3PREP)、求解器(主程KIVA-3V)和后处理(K3POST)三局部。iprepiprep前处理K3PREP输入文件输出文件Itape17Itape5,itape18求解器主程序KIVA-3V输出文件Otape8,otape12等输入文件输出文件otape9后处理K3POST后处理k2fv输出文件*.ps输出文件*.uns等2-1KIVA-3V程序集构造前处理〔K3PREP〕KIVA-3V程序集的前处理程序——K3PREP，是一个根本的网格生成器，它可以将外形简洁粘在一起。尽管承受块粘接技术，但K3PREP还是不能生成外形格外简洁的网格。对于一个具有简洁外形燃烧室、气道和气门的柴油机模型来说，假设用K3PREP生成网格，那么理所需时间和求解器求解所需时间之间的不平衡性会随着模型外形的简洁更加突出。因此，KIVA了广泛的应用。iprep为前处理程序K3PREP的输入数据文件，其中包含发动机的根本技术参数，如缸径、令等。有关iprep文件中各项的具体说明可参见KIVA-3V使用手册。运行K3PREP将生成一个主程序KIVA-3V可以直接读取的包含网格信息的数据文件itape17，它包括全部网格顶点的坐标x、y、z，网格单元及节点标志F、FV，六个相邻单元的连接数据，三个单元面的边界数组和一个区域标志数组。求解器〔主程序KIVA-3V〕求解由主程序KIVA-3VKIVA-3V由一个主程序和一系列实现不同功能的子程序组成，itape5中的开关变运行过程中的监视信息和计算结果。KIVA-3V有三个输入数据文件：itape17，itape18itape5itape17K3PREP所生成的数据文件；假设模型包括进排气门，那么需要通过itape18来输入气门升程数据，itape5主要包括发动机的根本技术参数，初始条件，燃油喷射参数，点火时间〔汽油机、计算公差、仿真起止时间等数据。有关itape5中的各项输入数据的具体说明可参见KIVA-3V使用手册。KIVA-3V主程序运行后输出数据文件有dat.*，plotgmv图形文件，otape9,otape8和otape12五类。dat.*给出随曲轴转角变化的平均性能数据:包括平均气缸压力、温度、体积、密度、质量、喷油数据、湍流数据和动力学数据等。plotgmv图形文件可通过三维可视化图形处理GMV(GeneralMeshViewer)LosAlamos国家试验室开发的。otape9用于后处理，其中包含气缸中各点的指定曲轴转角的性能数据，它可以通过k2fv转Fieldview可以读取的数据文件。otape8中为重计算所需的信息。otape12中则包含质组成的相关信息。假设运行失败，可以依据屏幕提示和otape12进展检查和分析，查找程序运行失败的缘由。后处理〔K3POST〕K3POSTKIVA-3Votape9ipost为输入文件，运行后可得*.ps*.ps文件的多少取决于ipost文件中的恳求。*.ps文件可用CGS(CommonGraphicsSystem)软件来处理，CGS也是由美国LosAlamos国家试验室开发的。本课题利用Fieldview10.0作为后处理软件，并编制了otape9Fieldview10.0之间的接口程序k2fv，通k2fvotape9Fieldview10.0能读取的*.uns文件和*.fvp文件，从而制作动画、曲线图、立体图等。KIVA-3V包括的模型数学模型〔包括层流和湍流的描述都是基于三条根本的物理原理[27]：(1)质量守恒定理；(2)能量守恒定理；(3)动量守恒定理。对所争论的连续流体对象可以利用不同的方法建立模型进展离散化，常用的建模方法包括有限差分法(finitedifference)、有限容积法(finitevolume)和有限元法(finiteelement)。KIVA-3V使用的是有限容守恒方程以及抱负气体状态方程。由于内燃机流淌问题中包含工质各成分之间的化学反响，把握方程组中还需要有各种化学成分的质量守恒方程学反响引起的源项。另一方面，为了使数值计算得到实现，KIVA-3VN-S方程进展了必要的简化，同时引入了湍流模型。本章常用的向量表示如下：密度ρρ〔t,x,y,。 xxxiyjzk，其中ij、kx、y、z方向的单位矢量。矢量算子表示为：i jk。 〔4-1〕x y z速度矢量uu(t,x,yz)iv(tx,yz)jw(tx,yz)zt为时间。质量守恒方程可以得出质量守恒方程〔即连续方程：m (m

u)[D( m)]c

s

〔4-2〕t m

m m1式中：ρ 分m的密度，kg/m3mu ——流体速度，m/sρ——总的密度，kg/m3D——质量集中系数ρc——化学反响引起的源项mρsδm1

——喷雾产生的源项δ——Diracdelta符号全部的组分相加，得到总的质量守恒方程〔即连续性方程：动量守恒方程

()s 〔4-3〕utu由此得出动守恒方程为： u p A2gu p A2gt

()12

0

( 3

〔4-4〕式中：PGS〔PressureGradientScaling〕方法p——流体的压力，Pa——粘性应力张量，N/mk——湍流脉动动能，kJ/m3g——比体积力gFs——由于喷雾引起的每单位体积所获得的动量增量，kg/〔m2s〕A0

=0；在湍流计算中A

=1。 粘性应力张量可以表示为：[u(u)T]uI 〔4-5〕式中：、分别为第一、其次粘性系数。上标T表示转置，I表示单位矩阵。能量守恒方程体所作的功，由此可以得出能量守恒方程为：(uI)pu(1At

):uJA0

QcQs 〔4-6〕I——除去化学能的比内能，kJ/kgJ——热通量矢量，为热传导和焓集中作用的总和，kJc——燃烧放热产生的源项s——喷雾产生的源项u——代表粘性应力做功，表示由于流体抑制粘性力所消耗的机械能不行逆的转化热能而消耗掉。up——代表流体体积变形时法向力〔压力〕所作功。u湍流方程湍流运动的特征是在运动过程中质点具有不断的相互混掺的现象，速度和压力等物理量在空间和时间上均具有随机性质的脉动值。KIVA-3V程序中供给两类可供选择的湍流模型：标准k-ε双方程湍流模型和RNGk-ε双方程湍流模型。①标准k-ε双方程湍流模型标准k-ε双方程湍流模型承受两个偏微分方程联立求解湍流淌能k和其耗散率ε，如下：②RNGk-ε双方程湍流模型RNGk-ε模型是由YakhotOrzagRNGrenormalizationgroup”的缩写，有些文献将其译为重正化群，本章直接使用RN原名。RNGk-ε双方程湍流模型是在标准k-ε双方程湍流模型的根底上改进得到的，RNGk-ε双方程模型如下：RNG是一种用于构筑很多物理现象模型的通用方法。它的根本思路是通过在空间尺度上的使问题得到简化而易于处理。RNGk-ε湍流模型具有以下独特的优点：A、RNG湍流模型中不包括任何阅历常数和可调整的参数。其模型常数是利用RNG理论准确地推导出来的，因而是通用的，不需要针对特定的问题进展调整或修正。B、RNG可以考虑固壁和界面的影响而无须求助于壁面函数之类的阅历公式。C、由于RNG模型能较好地反映各向异性和非平衡过程等效应，因而对带有分别、分层、旋转和冲击等效应的湍流均能做出比较满足的推想真实的模拟。D、RNG湍流模型在数值计算上具有较好的稳定性和收敛性，与标准k-ε模型相比，它的10~153~10倍。在空间尺度上的一系列连续变换，对原本格外RNGk-ε湍流模型具有以下独特的优点[23]：A、RNG湍流模型中不包括任何阅历常数和可调整的参数。其模型常数是利用RNG理论准确地推导出来的，因而是通用的，不需要针对特定的问题进展调整或修正。B、RNG可以考虑固壁和界面的影响而无须求助于壁面函数之类的阅历公式。C、由于RNG模型能较好地反映各向异性和非平衡过程等效应，因而对带有分别、分层、旋转和冲击等效应的湍流均能做出比较满足的推想真实的模拟。D、RNG湍流模型在数值计算上具有较好的稳定性和收敛性，与标准k-ε模型相比，它的计算量大约只增加10~15相比较，但后者的计算量却是前者的3~10倍。抱负气体状态方程抱负气体状态方程，在热力学模拟计算过程中起到了重要的作用，在KIVA-3V程序中，考虑到缸内气体温度、压力与容积的变化，承受以下方程进展计算：PRT

( m) 〔4-7〕R(T)

0 Wm m( m)I

〔4-8〕 mC(T)p

( m)Cpmm

〔4-9〕h(T)I (T)RT/W

〔4-10〕m m 0 mR——为通用气体常数，kJ/〔kg·K〕0W——为组分m的分子量mI (T)——为组分m的在温度T下的比内能mC (T)——为组分m的在温度T定压比热，J/〔kg·K〕pm(6)物性参数(1.0-A0

)V0

air

0

k2/ 〔4-11〕其次粘性系数：A 〔4-12〕C3热传导系数：K pPr

〔4-13〕DSc

〔4-14〕喷雾模型有两种喷雾模型[33]：连续液滴模型(ContinueDropletModel)CDM和离散液滴模型(DiscreteDropletModel)DDM。CDM将喷雾体表示成一个连续体，要求在全部的网格中都进展喷雾方程的计算，需要很多计算时间和很大的存储力气。DDM基于蒙特卡洛法，只处理其中假设干〔油滴处理喷雾和气体的相互作用是很有效的。1KIVA-3V中，喷雾模型选用离散液滴模型DDMf通过喷雾的离散分布函数f＇来靠近：1每个油滴都由大量具有一样的位置、速度、粒径、温度和振荡参数、的油粒组成，而喷油器喷射出的全部油滴的性质〔粒径、速度、温度、喷雾特性等〕通量交换来反响整个喷雾油束的运动。DDM方法在计算油滴轨迹时并未考虑气相湍流脉动的影响。实际上湍流涡团的无规章运动必定使油滴在其运动过程中不断受到一种随机的干扰力种附加的随机运动就是所谓的湍流集中。柴油机中雾化油滴的直径为几个到几十μm的量的解析解随机地加以选取。KIVA-3V中对油滴运动的处理除了考虑与四周空气介质的相互作用外，还可以考虑油滴的模型消灭的较早，已经过较长时间的应用和改进，准确性相对较高。而喷雾碰壁模型是KIVA-3V中刚刚参与的子模型,KIVA-3V的喷雾碰壁模型包括飞溅(splash)子模型和油膜(film)子模型，用以反响油束碰壁后产生反射油滴〔二次粒子〕和壁面油膜的现象。KIVA-3V中虽然包含喷雾碰壁模型，但还相当不完善。尤其是其中飞溅(splash)子模型中对反射的二次粒子的速度分布和粒径大小分布的给定缺乏试验验证，而是假定反射后二次粒子的粒径不变，速度矢量按给定的比例进展衰减，这明显是不符合实际的。碳氢燃料燃烧的化学反响模型对燃料燃烧具体化学反响机理模型的争论开头于上世纪六十年月末最简洁的燃料开头。1967年，Jenkins等首先对充分混合的反响器中的氢气燃烧的具体模型进展了争论，HamiltonSchott对氢气在激波管中燃烧反响的具体机理进展了争论，Dixon对于更大分子的烷烃类燃料柴油的燃烧通常承受单步完全氧化的全局反响机理进展描述。柴油机缸内的流淌问题同时包含了化学反响,各种化学反响的速度差异极大,某些化学反响的特征时间与流体流淌的特征时间相比格外的为快的化学反响的主要作用是使反响趋于平衡，从而假设快速化学反响处于瞬态平衡中。KIVA-3V中解决化学反响问题时也使用了这一假设，并承受了局部平衡法模拟燃料的氧化和反响速度很快，可认为总是处于化学平衡状态，如某些组分的离解反响；后者进展较慢，则按化学动力学处理，承受Arrhenius类型的公式计算其反响速率，如燃料的氧化和NO的形成衡限制条件隐式给出的，无法直接求解；而动力学化学反响的反响速率是显式给出的，可以直接求解。为了对平衡化学反响进展求解，KIVA-3V中供给了两种方法，一种是针对碳氢燃种方法的求解过程中无法考虑由平衡反响放热所引起的平衡常数的变化。NOx生成模型氮氧化合物NOx包括NO和NONONO2/NO仅为在柴油机中NO2/NO10％～30％。通常对NOx依据NO进展计算。NO的生成可能有多种机理NONO(Fenimore-NO)NO2NO生成机理和燃料氮NO生成机理。在某些状况下可能并非其中的一种机理对NO的生成起主导作用，而是各种机理对NO的生成都具有不行无视的奉献。对NONO排放模型将使计算量急剧增加。因此在大多数的实际工程应用中仅考虑热力NO生成机理。KIVA-3V中NOx生成模型也承受热力NONO生成机理是争论的最早的NO用。它是由Y.B.Zeldovich1946年提出的，包括如下三个根本反响方程式：此后，Lavoie等人在争论了Zeldovich的反响机理后认为，在NO的生成过程中OH基对氮原子的氧化也起了确定作用，故又增加了下面一个反响：由此得到的NO生成机理称为扩展的Zeldovich机理。此机理中NO的生成速率表示为：式中反响物浓度均为其瞬时平衡浓度。由此可见，利用扩展的Zeldovich机理进展NO的生成速率计算时假设参与此机理反响的各成份在生成NO时处于平衡状态。从式(2-9)的正向反响可知，由于要翻开N2分子的三价键，所以此反响需要很大的活化能，并且只有在很高的温度下才能到达较高的反响速率。因此该机理被称为热力NO生成机理。由于反响(2-9)(2-9)应(2-9)NO(2-9)的正向反响活化能随温度变化很猛烈，所以热力NO的生成速率对温度很敏感。碳烟Soot生成模型柴油机燃烧过程中生成的碳烟是柴油在高温缺氧条件下裂解生成的烟颗粒整个过程的化学动力学反响及物理变化过程目前还不是格外清楚其较高的同系物(C2nH2)和多环芳香烃(PAH)。它们不断脱氢、聚合成以碳为主的直径2nm发生分散，使碳烟核心增大，成为直径20～30nm的碳烟基元。最终，碳烟基元经过聚拢作用积存成直径1μm以下的球团状或链状的聚拢物的氧化反响主要受化学反响动力学把握，而在火焰四周有很多氧化碳烟的物质，如O2、O、OH、CO2和H2O。争论说明在富氧环境下，碳烟的氧化可以以焦石墨氧化为根底的半阅历OH反响而不是与O2反响。Hiroyasu理化学反响的Arrhenius方程为根底，认为碳烟的生成过程包括碳烟生成和碳烟氧化两个步骤，碳烟的质量变化率为：M代表质量，下标s、sf、so分别代表净碳烟、生成的碳烟和氧化的碳烟。碳烟生成的质量变化率为：fA、Aof

需要通过比照计算结果和试验结果来调整，为了降低同时调整两个阅历系NSC(NagleandStrickland-Constable)Hiroyasu的碳烟氧化模型。在NSCNSC的A，另一种是不易于发生氧化反响的B，它们的氧化反响如下：把握方程的离散方法闭性、非线性、联立耦合性和形式一样性，在一般状况下都不行能用解析法来求解，而必需首先把微分方程离散成代数方程，再依据初始条件(对非定常问题)和边界条件，用合理的数值计算方法在计算机上进展数值求解。实践说明,对于内燃机中有化学反响的可压缩流体的流淌计算，任意拉格朗日——欧拉法(ArbitraryLagrange-EulerMethod——ALE)和解压力耦合方程组的半隐式算法(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations——SIMPLE)在对把握方程做离散化处理时表现得更为有效。解压力耦合方程组的半隐式(SIMPLE)算法解压力耦合方程组的半隐式算法(SIMPLE)S.V.PatankarD.B.Spalding1972年提出SIMPLE法对积分区域的离散化通用性较高。SIMPLE算法自问世以来，不断地得到改善和进展，其中最著名的改进算法包SIMPLEC、SIMPLER和PISO算法。但由于内燃机包括的气道、气门以及燃烧室的外形简洁，对其进展正交贴体网格生成时，正交性不易满足，计算结果不易收敛。任意拉格朗日——欧拉(ALE)法任意拉格朗日——欧拉法(ALE)是由C.W.Hirt等提出的它是内燃机中解流淌和燃烧问题的一类应用广泛的数值方法，对计算区域可承受任意六面体分网格。美国LosAlamos国家试验室进一步进展了该方法，并间续将其用于内机燃烧模拟的大型计算程序 CONCHAS，CONCHAS-SPRAY和KIVAALE方法的特点是它承受的网格既不是Euler的固定网格也不是Lagrange的随流体运动网格，而是既可以象一般的Lagrange方法一样，让网格嵌在流体内和流体一起动，又可以象Euler方法一样，让网格固定。因而它具有一种连续重分网格的力气，即每一步(或者每隔假设干步)依据物质区域的边界构造一个适宜的网格，以避开在严峻扭曲的网格上进展计算，因而很适合于柴油机气缸这类容积不断变化的流淌计算区域。KIVA-3V对把握方程的离散如下：时间差分分项ALE方法，ALE分项ALE方法，nn＋1A、B、C三个阶段完成的：第一阶段为显式的的值，进而求出速度的值；第三阶段，把网格移到的位置，同时计算对流通量。前两步属于拉格朗日阶段，第三步是欧拉阶段。ALE法虽然网格的划分比较任凭，但它在时间上是显式的，时间步长受到严格限制，因而计算很费时。空间离散空间差分以ALE方法为根底，用任意六面体构造三维网格单元，利用有限体积法或积分平方程组。通常状况下，网格单元是不规章的，典型的有限差分单元如图2-2所示，称为常规4节点坐标(i,j,k)来代表。第4节点在物理空间直角坐标ijkijkijkx系中表示为(X 、Y 、ijkijki