Numerical simulations of reactive flows are among the most computational demanding applications in the scientific computing world. KIVA-3V, a widely used computer program for CFD, specifically tailored to engine applications, had been deeply modified in order to improve accuracy and stability, while reducing computational time. The original methods included in KIVA to solve equations of fluid dynamics had been fully replaced by new solvers, with the aim of both improving performance and writing a fully parallel code. Almost every feature of original KIVA-3V has been partially or entirely rewritten, a full 1D code has been included and a strategy to link directly 3D zones with zero dimensional models has been developed. Great attention has been given to everything that could lead to a more convenient software, overcoming a lot of limitations of the original version and adding new features to reduce the time needed to prepare input data and use the output, which is a critical aspect in this kind of distributed parallel computation. The result is a reliable program, noticeably faster than the original KIVA-3V in serial mode and obviously even more in parallel, capable of treating more complex cases and bigger grids, with the desired level of details where required. In the next pages, the new features introduced will be described in details, with special attention to the 3D/1D and 3D/0D coupling strategies. Then, a few examples of the tool's application fields will be presented, showing the benefits of using a multidimensional approach for large and complex problems like high performance internal combustion engines.

Le simulazioni numeriche di flussi reagenti sono tra le applicazioni più dispendiose nell'ambito della comunità scientifica. Un programma di fluidodinamica per computer, Kiva-3V, sviluppato per applicazioni nel campo dei motori a combustione interna, è stato profondamente modificato in modo da migliorarne accuratezza e stabilità, riducendo contemporaneamente il tempo di calcolo necessario. I metodi di risoluzione delle equazioni della fluidodinamica, originariamente presenti in Kiva, sono stati interamente sostituiti con dei nuovi solutori, con lo scopo di migliorare le prestazioni e di ottenere un codice di calcolo completamente parallelo. Praticamente ogni caratteristica originale di Kiva è stata parzialmente o interamente riscritta. Inoltre, è stato accoppiato ad un codice 1D ed è stata sviluppata una strategia per collegare direttamente zone 3D con modelli zerodimensionali. È stata posta grande attenzione verso tutto ciò che potesse portare verso un programma più versatile, superando molte delle limitazioni presenti nella versione originale ed aggiungendo nuove funzionalità volte soprattutto a ridurre il tempo necessario per preparare i dati in ingresso ed elaborare quelli prodotti, aspetto questo particolarmente importante in applicazioni parallele distribuite. Il risultato è un programma affidabile, sensibilmente più veloce dell'originale Kiva-3V in seriale e, ovviamente, ancora di più in parallelo, in grado di gestire modelli più complessi e discretizzazioni più accurate, con differenti livelli di dettaglio. Nelle pagine successive verranno descritte in dettaglio le nuove caratteristiche introdotte, con particolare attenzione alle strategie di accoppiamento 3D/1D e 3D/0D. A seguire verranno mostrati alcuni esempi dei possibili campi di applicazione, mostrando i benefici derivanti dall'uso di un approccio multidimensionale per problemi complessi come i motori a combustione interna ad alte prestazioni.

Del Citto, F. (2008). Analisi di un motore ad alte prestazioni mediante un tool 1D/3D.

Analisi di un motore ad alte prestazioni mediante un tool 1D/3D

DEL CITTO, FRANCESCO
2008-10-27

Abstract

Le simulazioni numeriche di flussi reagenti sono tra le applicazioni più dispendiose nell'ambito della comunità scientifica. Un programma di fluidodinamica per computer, Kiva-3V, sviluppato per applicazioni nel campo dei motori a combustione interna, è stato profondamente modificato in modo da migliorarne accuratezza e stabilità, riducendo contemporaneamente il tempo di calcolo necessario. I metodi di risoluzione delle equazioni della fluidodinamica, originariamente presenti in Kiva, sono stati interamente sostituiti con dei nuovi solutori, con lo scopo di migliorare le prestazioni e di ottenere un codice di calcolo completamente parallelo. Praticamente ogni caratteristica originale di Kiva è stata parzialmente o interamente riscritta. Inoltre, è stato accoppiato ad un codice 1D ed è stata sviluppata una strategia per collegare direttamente zone 3D con modelli zerodimensionali. È stata posta grande attenzione verso tutto ciò che potesse portare verso un programma più versatile, superando molte delle limitazioni presenti nella versione originale ed aggiungendo nuove funzionalità volte soprattutto a ridurre il tempo necessario per preparare i dati in ingresso ed elaborare quelli prodotti, aspetto questo particolarmente importante in applicazioni parallele distribuite. Il risultato è un programma affidabile, sensibilmente più veloce dell'originale Kiva-3V in seriale e, ovviamente, ancora di più in parallelo, in grado di gestire modelli più complessi e discretizzazioni più accurate, con differenti livelli di dettaglio. Nelle pagine successive verranno descritte in dettaglio le nuove caratteristiche introdotte, con particolare attenzione alle strategie di accoppiamento 3D/1D e 3D/0D. A seguire verranno mostrati alcuni esempi dei possibili campi di applicazione, mostrando i benefici derivanti dall'uso di un approccio multidimensionale per problemi complessi come i motori a combustione interna ad alte prestazioni.
A.A. 2007/2008
Ingegneria dell'energia-ambiente
20.
Numerical simulations of reactive flows are among the most computational demanding applications in the scientific computing world. KIVA-3V, a widely used computer program for CFD, specifically tailored to engine applications, had been deeply modified in order to improve accuracy and stability, while reducing computational time. The original methods included in KIVA to solve equations of fluid dynamics had been fully replaced by new solvers, with the aim of both improving performance and writing a fully parallel code. Almost every feature of original KIVA-3V has been partially or entirely rewritten, a full 1D code has been included and a strategy to link directly 3D zones with zero dimensional models has been developed. Great attention has been given to everything that could lead to a more convenient software, overcoming a lot of limitations of the original version and adding new features to reduce the time needed to prepare input data and use the output, which is a critical aspect in this kind of distributed parallel computation. The result is a reliable program, noticeably faster than the original KIVA-3V in serial mode and obviously even more in parallel, capable of treating more complex cases and bigger grids, with the desired level of details where required. In the next pages, the new features introduced will be described in details, with special attention to the 3D/1D and 3D/0D coupling strategies. Then, a few examples of the tool's application fields will be presented, showing the benefits of using a multidimensional approach for large and complex problems like high performance internal combustion engines.
CFD; engine; moving mesh; reactive flows; Kiva
Settore ING-IND/08 - Macchine a Fluido
Italian
Tesi di dottorato
Del Citto, F. (2008). Analisi di un motore ad alte prestazioni mediante un tool 1D/3D.
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