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燃燒仿真軟件KIVA在內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真中的應(yīng)用教程1燃燒仿真基礎(chǔ)1.1燃燒仿真的重要性燃燒仿真在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中扮演著至關(guān)重要的角色。它能夠幫助工程師預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程中的各種現(xiàn)象,如火焰?zhèn)鞑ァ⑷紵?、排放物生成等,而無(wú)需進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的物理實(shí)驗(yàn)。通過(guò)仿真,可以快速迭代設(shè)計(jì),減少開(kāi)發(fā)成本,同時(shí)提高內(nèi)燃機(jī)的性能和環(huán)保特性。1.2內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程簡(jiǎn)介內(nèi)燃機(jī)的燃燒過(guò)程可以分為幾個(gè)關(guān)鍵階段:點(diǎn)火階段:在汽油機(jī)中,火花塞點(diǎn)燃混合氣;在柴油機(jī)中,燃料自燃。火焰?zhèn)鞑ルA段:火焰從點(diǎn)火源開(kāi)始,通過(guò)燃燒混合氣向整個(gè)燃燒室擴(kuò)散。燃燒階段:燃料完全燃燒,釋放大量能量。排氣階段:燃燒后的廢氣被排出,為下一個(gè)循環(huán)做準(zhǔn)備。每個(gè)階段都涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程,如燃料噴射、混合、燃燒、熱傳遞和流體動(dòng)力學(xué),這些過(guò)程相互作用,決定了內(nèi)燃機(jī)的性能。1.3燃燒仿真軟件概述燃燒仿真軟件是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于模擬燃燒過(guò)程的工具,它們通?;跀?shù)值方法,如有限體積法或有限元法,來(lái)求解控制燃燒過(guò)程的物理和化學(xué)方程。這些軟件可以模擬各種燃燒設(shè)備,包括內(nèi)燃機(jī)、燃燒室、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等。1.3.1KIVA軟件KIVA系列軟件是美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的,專(zhuān)門(mén)用于內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程的仿真。KIVA軟件能夠模擬燃料噴射、混合、燃燒、熱傳遞和流體動(dòng)力學(xué)等過(guò)程,提供詳細(xì)的燃燒室內(nèi)部狀態(tài)信息,如溫度、壓力、濃度分布等。KIVA軟件的核心是求解一組偏微分方程,包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和物種守恒方程。這些方程描述了燃燒室內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)、能量的轉(zhuǎn)換和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。1.3.2KIVA軟件使用示例雖然本教程不提供具體代碼,但以下是一個(gè)使用KIVA軟件進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真的一般步驟:定義幾何模型:使用CAD軟件創(chuàng)建內(nèi)燃機(jī)燃燒室的幾何模型。網(wǎng)格劃分:將幾何模型劃分為多個(gè)小單元,形成網(wǎng)格,以便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。設(shè)置邊界條件:定義燃燒室的初始狀態(tài),如溫度、壓力和燃料濃度。選擇燃燒模型:根據(jù)燃料類(lèi)型和燃燒過(guò)程,選擇合適的燃燒模型,如預(yù)混燃燒模型或擴(kuò)散燃燒模型。運(yùn)行仿真:使用KIVA軟件求解控制方程,模擬燃燒過(guò)程。后處理和分析:分析仿真結(jié)果,如溫度、壓力和排放物分布,以評(píng)估內(nèi)燃機(jī)的性能。1.3.3KIVA軟件的算法示例KIVA軟件使用了多種數(shù)值算法來(lái)求解控制方程,其中一種是有限體積法。有限體積法將計(jì)算域劃分為一系列控制體積,然后在每個(gè)控制體積上應(yīng)用守恒定律,形成一組離散方程。這些方程可以通過(guò)迭代方法求解,如SIMPLE算法(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations)。SIMPLE算法的核心是通過(guò)迭代求解壓力和速度場(chǎng),以滿(mǎn)足連續(xù)性和動(dòng)量守恒。算法步驟如下:預(yù)測(cè)速度:基于當(dāng)前的壓力場(chǎng),預(yù)測(cè)速度場(chǎng)。求解壓力修正:基于預(yù)測(cè)的速度場(chǎng),求解連續(xù)性方程,得到壓力修正值。更新速度和壓力:使用壓力修正值更新速度和壓力場(chǎng)。檢查收斂性:檢查速度和壓力場(chǎng)是否收斂,如果不收斂,則返回步驟1。1.3.4KIVA軟件的局限性盡管KIVA軟件在內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真中非常強(qiáng)大,但它也有一定的局限性。例如,它可能無(wú)法準(zhǔn)確模擬非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,或者在處理非常精細(xì)的網(wǎng)格時(shí)計(jì)算效率較低。此外,KIVA軟件的準(zhǔn)確性和可靠性依賴(lài)于輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和模型的合理性。1.3.5結(jié)論燃燒仿真軟件,如KIVA,是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化不可或缺的工具。通過(guò)模擬燃燒過(guò)程,可以深入了解內(nèi)燃機(jī)的性能,指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn),減少開(kāi)發(fā)成本。然而,使用這些軟件時(shí),也需要注意其局限性,確保模型的合理性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。2KIVA軟件介紹2.1KIVA的發(fā)展歷史KIVA軟件是由美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一系列內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真工具。自1980年代初開(kāi)始,KIVA項(xiàng)目旨在創(chuàng)建一個(gè)能夠模擬內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部復(fù)雜燃燒過(guò)程的軟件。KIVA經(jīng)歷了多個(gè)版本的迭代,從最初的KIVA-I,到KIVA-II,再到KIVA-3和KIVA-4,每個(gè)版本都引入了更先進(jìn)的物理模型和計(jì)算方法,以提高模擬的準(zhǔn)確性和效率。2.1.1KIVA-I發(fā)布年代:1980年代初主要特點(diǎn):二維、軸對(duì)稱(chēng)模型,適用于柴油機(jī)和汽油機(jī)的燃燒過(guò)程模擬。2.1.2KIVA-II發(fā)布年代:1980年代末主要改進(jìn):三維模型,增加了對(duì)噴霧和燃燒過(guò)程的更詳細(xì)描述。2.1.3KIVA-3發(fā)布年代:1990年代主要特點(diǎn):引入了化學(xué)反應(yīng)模型,能夠處理多組分燃料的燃燒,以及更復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)。2.1.4KIVA-4發(fā)布年代:2000年代主要改進(jìn):優(yōu)化了計(jì)算效率,增強(qiáng)了對(duì)湍流和化學(xué)反應(yīng)的模擬能力,支持更廣泛的內(nèi)燃機(jī)類(lèi)型和操作條件。2.2KIVA的主要功能KIVA軟件主要功能包括:流體動(dòng)力學(xué)模擬:使用Navier-Stokes方程模擬內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的氣體流動(dòng)。噴霧模擬:通過(guò)噴霧模型預(yù)測(cè)燃料噴射和霧化過(guò)程。燃燒模擬:采用化學(xué)反應(yīng)模型模擬燃料的燃燒過(guò)程,包括預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒。傳熱模擬:計(jì)算內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的熱傳遞,包括對(duì)流、輻射和導(dǎo)熱。污染物生成模擬:預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物,如NOx、CO和未燃燒碳?xì)浠衔铩?.3KIVA的適用范圍KIVA軟件廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)中,包括:柴油機(jī)和汽油機(jī):模擬不同類(lèi)型的內(nèi)燃機(jī),如直噴式柴油機(jī)和汽油機(jī)。混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē):在設(shè)計(jì)和優(yōu)化混合動(dòng)力系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)部分時(shí)使用。燃燒室設(shè)計(jì):幫助工程師設(shè)計(jì)更高效的燃燒室,減少燃燒過(guò)程中的能量損失。排放控制:預(yù)測(cè)和分析內(nèi)燃機(jī)的排放特性,以滿(mǎn)足嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)。燃料研究:評(píng)估不同燃料在內(nèi)燃機(jī)中的性能,包括生物燃料和替代燃料。2.3.1示例:KIVA-3的簡(jiǎn)單運(yùn)行流程雖然KIVA軟件的運(yùn)行需要詳細(xì)的輸入文件和復(fù)雜的物理模型,以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的流程示例,用于說(shuō)明如何使用KIVA-3進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真:準(zhǔn)備輸入文件:包括網(wǎng)格文件、初始條件文件、邊界條件文件、化學(xué)反應(yīng)文件等。設(shè)置計(jì)算參數(shù):如時(shí)間步長(zhǎng)、終止時(shí)間、輸出頻率等。運(yùn)行KIVA-3:使用命令行界面啟動(dòng)仿真。分析輸出結(jié)果:包括壓力、溫度、組分濃度、污染物生成等數(shù)據(jù)。2.3.1.1示例代碼:設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)和終止時(shí)間#KIVA-3的控制文件中設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)和終止時(shí)間
#設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為1e-6秒
DT=1e-6
#設(shè)置終止時(shí)間為1e-3秒
END_TIME=1e-32.3.1.2數(shù)據(jù)樣例:網(wǎng)格文件中的一個(gè)單元格描述網(wǎng)格文件是KIVA-3運(yùn)行的基礎(chǔ),它定義了內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)。以下是一個(gè)網(wǎng)格文件中描述單個(gè)單元格的示例:#網(wǎng)格文件示例:描述一個(gè)單元格
#單元格ID
1
#單元格的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)
0.00.00.0
0.00.00.1
0.10.00.1
0.10.00.02.3.2描述在上述代碼示例中,DT變量定義了仿真中的時(shí)間步長(zhǎng),而END_TIME變量則指定了仿真的終止時(shí)間。這些參數(shù)對(duì)于控制仿真的精度和計(jì)算時(shí)間至關(guān)重要。在數(shù)據(jù)樣例中,網(wǎng)格文件描述了一個(gè)位于(0.0,0.0,0.0)到(0.1,0.0,0.1)之間的三維單元格,這是構(gòu)建內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部幾何模型的基礎(chǔ)。KIVA軟件通過(guò)其強(qiáng)大的功能和廣泛的適用性,為內(nèi)燃機(jī)的燃燒過(guò)程提供了深入的洞察,幫助研究人員和工程師優(yōu)化設(shè)計(jì),提高效率,減少排放。3KIVA在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用3.1內(nèi)燃機(jī)模型的建立在使用KIVA進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真時(shí),首先需要建立內(nèi)燃機(jī)的模型。這包括定義引擎的幾何參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等。KIVA軟件通過(guò)輸入文件來(lái)配置這些參數(shù),下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的內(nèi)燃機(jī)模型建立的示例。3.1.1示例:內(nèi)燃機(jī)模型輸入文件&CYLINDER
CYLINDER_ID=1,
CYLINDER_TYPE='DI',
CYLINDER_GEOMETRY='CYLINDRICAL',
CYLINDER_LENGTH=0.15,
CYLINDER_DIAMETER=0.1,
PISTON_DIAMETER=0.1,
PISTON_STROKE=0.1,
CRANKSHAFT_RADIUS=0.05,
CRANKSHAFT_OFFSET=0.0,
PISTON_RING_COUNT=3,
PISTON_RING_WIDTH=0.002,
PISTON_RING_CLEARANCE=0.0001,
PISTON_RING_LEAKAGE_COEFFICIENT=0.001,
PISTON_RING_LEAKAGE_EXPONENT=0.5,
PISTON_RING_LEAKAGE_THRESHOLD=0.001,
PISTON_RING_LEAKAGE_MAX=0.1,
PISTON_RING_LEAKAGE_MIN=0.0001,
PISTON_RING_LEAKAGE_TYPE='CONSTANT',
PISTON_RING_LEAKAGE_CONSTANT=0.001,
PISTON_RING_LEAKAGE_FUNCTION='NONE',
PISTON_RING_LEAKAGE_FUNCTION_COEFFICIENTS=0.0,
PISTON_RING_LEAKAGE_FUNCTION_EXPO在這個(gè)示例中,我們定義了一個(gè)直噴(DI)類(lèi)型的內(nèi)燃機(jī),其幾何結(jié)構(gòu)為圓柱形。我們?cè)O(shè)置了氣缸的長(zhǎng)度、直徑,活塞的直徑和沖程,以及曲軸的半徑和偏移量。此外,還定義了活塞環(huán)的數(shù)量、寬度、間隙、泄漏系數(shù)等參數(shù),這些參數(shù)對(duì)于模擬燃燒室的密封性和泄漏至關(guān)重要。3.2燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)的輸入燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒過(guò)程有直接影響,因此在KIVA中準(zhǔn)確輸入燃燒室的幾何參數(shù)是至關(guān)重要的。這包括氣缸的形狀、活塞的運(yùn)動(dòng)軌跡、燃燒室的體積變化等。3.2.1示例:燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)輸入&GEOMETRY
GEOMETRY_TYPE='CYLINDRICAL',
CYLINDER_LENGTH=0.15,
CYLINDER_DIAMETER=0.1,
PISTON_DIAMETER=0.1,
PISTON_STROKE=0.1,
CRANKSHAFT_RADIUS=0.05,
CRANKSHAFT_OFFSET=0.0,
PISTON_RING_COUNT=3,
PISTON_RING_WIDTH=0.002,
PISTON_RING_CLEARANCE=0.0001,
PISTON_RING_LEAKAGE_COEFFICIENT=0.001,
PISTON_RING_LEAKAGE_EXPONENT=0.5,
PISTON_RING_LEAKAGE_THRESHOLD=0.001,
PISTON_RING_LEAKAGE_MAX=0.1,
PISTON_RING_LEAKAGE_MIN=0.0001,
PISTON_RING_LEAKAGE_TYPE='CONSTANT',
PISTON_RING_LEAKAGE_CONSTANT=0.001,
PISTON_RING_LEAKAGE_FUNCTION='NONE',
PISTON_RING_LEAKAGE_FUNCTION_COEFFICIENTS=0.0,
PISTON_RING_LEAKAGE_FUNCTION_EXPO這里,我們?cè)俅问褂昧藞A柱形氣缸的幾何結(jié)構(gòu),并詳細(xì)定義了氣缸和活塞的尺寸。這些參數(shù)將用于計(jì)算燃燒室的體積變化,進(jìn)而影響燃燒過(guò)程的模擬。3.3燃料噴射和混合模型的設(shè)置燃料噴射和混合是內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。KIVA提供了多種模型來(lái)模擬燃料噴射和混合,包括噴射模型、蒸發(fā)模型、混合模型等。3.3.1示例:燃料噴射和混合模型設(shè)置&FUEL_INJECTION
INJECTION_MODEL='MULTI-JET',
INJECTION_START_TIME=0.001,
INJECTION_DURATION=0.0005,
INJECTION_PRESSURE=10000000.0,
INJECTION_ANGLE=30.0,
INJECTION_DROPLET_DIAMETER=0.0001,
INJECTION_DROPLET_COUNT=1000,
INJECTION_DROPLET_VELOCITY=100.0,
INJECTION_DROPLET_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES='C12H26',
INJECTION_DROPLET_SPECIES_FRACTION=1.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_TEMPERATURE=300.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=1600.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT=2100.0,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_VOLUME_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_MOLECULAR_WEIGHT=170.33,
INJECTION_DROPLET_SPECIES_SPECIFIC_HEAT_CONSTANT_PRESSURE_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT_SPECIFIC_HEAT
#KIVA仿真設(shè)置與操作
##網(wǎng)格劃分與優(yōu)化
在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真時(shí),網(wǎng)格劃分是關(guān)鍵的第一步。網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到仿真的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。KIVA軟件支持多種網(wǎng)格類(lèi)型,包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格優(yōu)化的目標(biāo)是確保網(wǎng)格既能夠捕捉到燃燒過(guò)程中的細(xì)節(jié),又能夠保持計(jì)算的高效性。
###網(wǎng)格劃分原則
1.**細(xì)化關(guān)鍵區(qū)域**:在燃燒室、噴油器附近等關(guān)鍵區(qū)域,網(wǎng)格應(yīng)更加細(xì)化,以捕捉到燃燒過(guò)程中的細(xì)節(jié)。
2.**保持網(wǎng)格正交性**:網(wǎng)格的正交性越高,計(jì)算的準(zhǔn)確性越好。盡量避免使用扭曲或重疊的網(wǎng)格單元。
3.**控制網(wǎng)格數(shù)量**:過(guò)多的網(wǎng)格會(huì)增加計(jì)算負(fù)擔(dān),過(guò)少則可能無(wú)法準(zhǔn)確模擬燃燒過(guò)程。需要找到一個(gè)平衡點(diǎn)。
###示例:使用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分
```bash
#Gambit網(wǎng)格劃分示例
#假設(shè)我們正在使用Gambit軟件為一個(gè)內(nèi)燃機(jī)燃燒室創(chuàng)建網(wǎng)格
#打開(kāi)Gambit并加載燃燒室?guī)缀文P?/p>
gambit-batch-input"combustion_chamber.gmf"
#設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)
meshControlsset-sizeFunction"size_function.gmf"
meshControlsset-qualityFunction"quality_function.gmf"
#在關(guān)鍵區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格
meshControlsset-refinement"refinement_function.gmf"
#生成網(wǎng)格
meshControlsset-generate
meshControlsset-export"combustion_chamber_mesh.gmf"
#保存并退出Gambit
save"combustion_chamber_mesh.gjs"
exit在上述示例中,我們使用Gambit的批處理模式來(lái)自動(dòng)創(chuàng)建網(wǎng)格。size_function.gmf、quality_function.gmf和refinement_function.gmf是預(yù)定義的網(wǎng)格控制函數(shù),用于控制網(wǎng)格的大小、質(zhì)量和關(guān)鍵區(qū)域的細(xì)化程度。3.4邊界條件和初始條件的設(shè)定邊界條件和初始條件的設(shè)定對(duì)于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。邊界條件描述了仿真域與外部環(huán)境的交互,而初始條件則定義了仿真開(kāi)始時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)。3.4.1邊界條件設(shè)定入口邊界:通常設(shè)定為噴油器入口,需要指定流體的入口速度、溫度和化學(xué)組成。出口邊界:通常設(shè)定為排氣口,可以設(shè)定為壓力出口或質(zhì)量流量出口。壁面邊界:需要設(shè)定壁面的熱邊界條件,如絕熱壁面或指定的壁面溫度。3.4.2初始條件設(shè)定溫度分布:設(shè)定燃燒室內(nèi)的初始溫度分布。壓力分布:設(shè)定燃燒室內(nèi)的初始?jí)毫Ψ植?。化學(xué)組成:設(shè)定燃燒室內(nèi)各化學(xué)物質(zhì)的初始濃度分布。3.4.3示例:在KIVA中設(shè)定邊界和初始條件#KIVA邊界和初始條件設(shè)定示例
#假設(shè)我們正在使用KIVA軟件進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真
#設(shè)置入口邊界條件
boundaryset-type"inlet"-velocity100.0-temperature300.0-composition"air:0.95,fuel:0.05"
#設(shè)置出口邊界條件
boundaryset-type"outlet"-pressure101325.0
#設(shè)置壁面邊界條件
boundaryset-type"wall"-heatTransfer"adiabatic"
#設(shè)置初始條件
initialConditionsset-temperature300.0-pressure101325.0-composition"air:1.0,fuel:0.0"
#保存邊界和初始條件設(shè)置
save"boundary_and_initial_conditions.kiv"在上述示例中,我們?cè)O(shè)定了入口邊界的速度、溫度和化學(xué)組成,出口邊界的壓力,以及壁面的絕熱條件。同時(shí),設(shè)定了燃燒室內(nèi)的初始溫度、壓力和化學(xué)組成。3.5仿真參數(shù)的調(diào)整仿真參數(shù)的調(diào)整是優(yōu)化仿真結(jié)果和計(jì)算效率的重要步驟。不同的參數(shù)設(shè)置會(huì)影響仿真的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。3.5.1仿真參數(shù)時(shí)間步長(zhǎng):控制仿真的時(shí)間分辨率,過(guò)小的時(shí)間步長(zhǎng)會(huì)增加計(jì)算時(shí)間,過(guò)大的時(shí)間步長(zhǎng)可能會(huì)影響仿真的穩(wěn)定性。迭代次數(shù):控制每個(gè)時(shí)間步的迭代次數(shù),更多的迭代次數(shù)可以提高仿真的準(zhǔn)確性,但也會(huì)增加計(jì)算時(shí)間。收斂準(zhǔn)則:設(shè)定仿真收斂的條件,如殘差的大小。3.5.2示例:在KIVA中調(diào)整仿真參數(shù)#KIVA仿真參數(shù)調(diào)整示例
#假設(shè)我們正在使用KIVA軟件進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真
#設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)
simulationset-timeStep0.001
#設(shè)置迭代次數(shù)
simulationset-iterationsPerTimeStep50
#設(shè)置收斂準(zhǔn)則
simulationset-convergenceCriteria1e-6
#保存仿真參數(shù)設(shè)置
save"simulation_parameters.kiv"在上述示例中,我們?cè)O(shè)定了時(shí)間步長(zhǎng)為0.001秒,每個(gè)時(shí)間步的迭代次數(shù)為50次,收斂準(zhǔn)則為殘差小于1e-6。這些參數(shù)的設(shè)定需要根據(jù)具體的仿真需求和計(jì)算資源進(jìn)行調(diào)整。以上示例和說(shuō)明提供了KIVA軟件在內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真中網(wǎng)格劃分與優(yōu)化、邊界條件和初始條件的設(shè)定、以及仿真參數(shù)調(diào)整的基本操作。通過(guò)這些步驟,可以有效地設(shè)置和運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真,以獲得準(zhǔn)確的燃燒過(guò)程模擬結(jié)果。4KIVA仿真結(jié)果分析4.1溫度和壓力分布的解讀在內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真中,KIVA軟件能夠生成詳細(xì)的溫度和壓力分布數(shù)據(jù),這對(duì)于理解燃燒過(guò)程和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。溫度分布反映了燃燒室內(nèi)熱量的傳遞和分布情況,而壓力分布則揭示了燃燒過(guò)程中氣體壓力的變化,兩者都是評(píng)估燃燒效率和排放性能的關(guān)鍵指標(biāo)。4.1.1數(shù)據(jù)樣例KIVA輸出的溫度和壓力數(shù)據(jù)通常以二維或三維網(wǎng)格的形式存儲(chǔ),每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度和壓力值。例如,一個(gè)簡(jiǎn)單的二維網(wǎng)格數(shù)據(jù)可能如下所示:GridPointTemperature(K)Pressure(Pa)(1,1)12001.5e6(1,2)12501.6e6(1,3)13001.7e6(2,1)11501.4e6(2,2)12001.5e6(2,3)12501.6e64.1.2解讀方法解讀這些數(shù)據(jù)時(shí),可以使用各種可視化工具,如Paraview或Tecplot,將二維或三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像或動(dòng)畫(huà),以直觀(guān)地展示溫度和壓力的分布情況。此外,通過(guò)分析溫度和壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì),可以評(píng)估燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性和效率。4.2燃燒效率和排放分析燃燒效率和排放分析是評(píng)估內(nèi)燃機(jī)性能的重要方面。KIVA軟件通過(guò)模擬燃燒過(guò)程,能夠提供燃燒效率、未燃碳?xì)浠衔铮║HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)等排放物的詳細(xì)數(shù)據(jù)。4.2.1數(shù)據(jù)樣例KIVA輸出的燃燒效率和排放數(shù)據(jù)可能包括:燃燒效率:85%UHC排放:10ppmCO排放:50ppmNOx排放:200ppm這些數(shù)據(jù)通常隨時(shí)間變化,因此,KIVA會(huì)生成一系列數(shù)據(jù)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)仿真過(guò)程中的一個(gè)時(shí)間步。4.2.2分析方法分析這些數(shù)據(jù)時(shí),可以將燃燒效率和排放物濃度隨時(shí)間的變化繪制成圖表,以評(píng)估燃燒過(guò)程的效率和排放性能。例如,燃燒效率應(yīng)隨時(shí)間逐漸增加,直至達(dá)到穩(wěn)定值;而排放物濃度則應(yīng)保持在法規(guī)限制范圍內(nèi)。4.3仿真結(jié)果的可視化將KIVA的仿真結(jié)果可視化是理解和分析數(shù)據(jù)的關(guān)鍵步驟。通過(guò)可視化,可以直觀(guān)地觀(guān)察燃燒過(guò)程中的溫度、壓力、燃燒效率和排放物分布,幫助工程師快速識(shí)別問(wèn)題和優(yōu)化設(shè)計(jì)。4.3.1工具選擇常用的可視化工具包括Paraview、Tecplot和AVS/Express。這些工具能夠讀取KIVA輸出的原始數(shù)據(jù)文件,并將其轉(zhuǎn)換為易于理解的圖像和動(dòng)畫(huà)。4.3.2示例代碼以下是一個(gè)使用Python和matplotlib庫(kù)對(duì)KIVA輸出的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單可視化的示例代碼:importnumpyasnp
importmatplotlib.pyplotasplt
#假設(shè)從KIVA輸出文件中讀取的溫度數(shù)據(jù)
temperature_data=np.array([
[1200,1250,1300],
[1150,1200,1250],
[1100,1150,1200]
])
#創(chuàng)建圖像
plt.imshow(temperature_data,cmap='hot',interpolation='nearest')
plt.colorbar()
plt.title('內(nèi)燃機(jī)燃燒室溫度分布')
plt.xlabel('X軸網(wǎng)格點(diǎn)')
plt.ylabel('Y軸網(wǎng)格點(diǎn)')
plt.show()4.3.3解釋這段代碼首先導(dǎo)入了必要的庫(kù),然后定義了一個(gè)二維數(shù)組temperature_data,模擬從KIVA輸出文件中讀取的溫度數(shù)據(jù)。plt.imshow函數(shù)用于創(chuàng)建圖像,cmap='hot'參數(shù)設(shè)置了顏色映射,使高溫區(qū)域顯示為紅色,低溫區(qū)域顯示為藍(lán)色。plt.colorbar添加了一個(gè)顏色條,顯示溫度值的范圍。最后,plt.show顯示了圖像。通過(guò)這樣的可視化,工程師可以快速識(shí)別燃燒室中溫度分布的熱點(diǎn)和冷點(diǎn),從而優(yōu)化燃燒過(guò)程,提高燃燒效率,減少排放。4.4結(jié)論KIVA軟件在內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真中的應(yīng)用,不僅提供了詳細(xì)的溫度、壓力、燃燒效率和排放數(shù)據(jù),還通過(guò)可視化工具,使這些數(shù)據(jù)變得直觀(guān)易懂。這對(duì)于內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化具有重要意義。通過(guò)深入分析和理解這些仿真結(jié)果,工程師能夠更有效地設(shè)計(jì)和調(diào)整內(nèi)燃機(jī),以滿(mǎn)足更高的性能和環(huán)保要求。5KIVA高級(jí)應(yīng)用技巧5.1多燃料燃燒仿真5.1.1原理在內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真中,KIVA軟件能夠處理多
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