Обновление и модернизация кода NASA CEA: Новые возможности и улучшения

Код NASA Chemical Equilibrium with Applications (CEA) является фундаментальным инструментом для анализа двигательных установок. Он используется для расчетов равновесной химии, характеристик ракетных двигателей, ударных волн и детонации как в NASA, так и в других аэрокосмических организациях. В рамках инициативы NASA Engineering and Safety Center (NESC) Activity TI-22-01730 устаревший код CEA2 на Fortran был модернизирован до CEA v3. Новая версия представляет собой объектно-ориентированный программный пакет на Fortran 2008 с расширенной поддержкой интерфейсов, обновленными термохимическими данными, улучшенной поддерживаемостью и значительно оптимизированной интеграцией в рабочие процессы. Модернизированный код сохраняет обратную совместимость с прежними рабочими процессами ввода данных CEA, одновременно позволяя прямое использование из современных сред анализа, включая Python, C, MATLAB и автоматизированные исследования проектирования.

Предпосылки

CEA2 был выпущен в 2002 году и с тех пор широко используется для анализа двигательных установок и термохимии. Однако процедурная реализация на Fortran стала все труднее поддерживать, расширять и интегрировать в современные инженерные рабочие процессы из-за отсутствия интерфейса подпрограмм. Современный анализ двигательных установок все чаще требует автоматизированных параметрических прогонов, интеграции с другими инструментами моделирования и инженерными рабочими процессами, а также поддержки новых видов топлива, включая экологически чистое топливо и устойчивое авиационное топливо. Эти потребности послужили стимулом для комплексных усилий по модернизации, направленных на сохранение проверенной технической базы CEA при одновременном улучшении его поддерживаемости, удобства использования и интеграции с современным инженерным программным обеспечением.

Технические улучшения

Современная архитектура программного обеспечения

CEA v3 реализован на Fortran 2008 с использованием объектно-ориентированных структур данных, более строгой типизации и потокобезопасной архитектуры решателя равновесия. Программное обеспечение поддерживает интерфейсы Fortran, C, Python, MATLAB и Excel. Эти интерфейсы позволяют использовать CEA непосредственно в автоматизированных конвейерах анализа, многодисциплинарных системах проектирования и масштабных исследованиях проектирования. Обратная совместимость обеспечивается благодаря классическому интерфейсу командной строки, позволяющему переносить существующие входные файлы и рабочие процессы CEA с минимальными нарушениями.

Расширенные данные по видам и термодинамике

Термодинамическая база данных была расширена для поддержки дополнительных видов топлива, актуальных для текущих приложений NASA, включая компоненты экологически чистого топлива, такие как ADN, HAN и LMP-103S, а также кандидаты на устойчивое авиационное топливо, такие как н-бутанол. Это расширенное покрытие видов топлива повышает применимость CEA для исследований двигательных установок следующего поколения, экологически чистого топлива и устойчивого авиационного топлива.

Новые возможности моделирования

CEA v3 добавляет или улучшает поддержку нескольких возможностей моделирования, включая:

• Интерфейс подпрограмм, обеспечивающий прямую интеграцию и высокообъемные расчеты
• Отрицательные количества реагентов
• Представление инертных углеводородных топлив, включая RP-1, Jet-A и топливо серии JP
• Аналитические полные производные для связи с рабочими процессами оптимизации и анализа чувствительности

Улучшения производительности

Для автономного использования отдельные расчеты равновесия в CEA v3 несколько медленнее по сравнению со сравнимыми расчетами CEA2, поскольку модернизированная архитектура и добавленная надежность вносят дополнительный вычислительный накладной расход. В репрезентативных тестах один расчет был примерно на 40% медленнее, но абсолютное отличие составило всего около 0,004 секунды на случай. Однако модернизированная архитектура обеспечивает существенные преимущества в производительности для многослучайных рабочих процессов, которые часто встречаются в исследованиях проектирования, параметрических прогонах, оптимизации и анализе неопределенностей. В одном эталонном тесте прогон 108 500 случаев занял примерно 1,11 секунды с CEA v3, по сравнению примерно с 15 минутами с CEA2. Это соответствует сокращению времени выполнения этого рабочего процесса примерно в 800 раз. Эти улучшения делают крупномасштабные сравнительные исследования двигательных установок и автоматизированное исследование пространства проектирования значительно более практичными.

Руководство по инженерному использованию

Инженерным пользователям NASA следует учитывать следующие рекомендации:

• Используйте CEA v3 для новых анализов двигательных установок и термохимии, когда это возможно, чтобы воспользоваться преимуществами модернизированных интерфейсов, расширенной базы данных и улучшенной интеграции рабочего процесса.
• Используйте интерфейсы Python, MATLAB или C для автоматизированных рабочих процессов, включая параметрические прогоны, исследования оптимизации и итеративные анализы проектирования.
• Используйте обновленную базу данных видов для исследований экологически чистого топлива и устойчивого авиационного топлива, когда соответствующие виды включены и валидированы для предполагаемого применения.
• Используйте классический интерфейс командной строки, когда требуется преемственность с устаревшими рабочими процессами или входными файлами CEA.
• Сохраняйте соответствующий инженерный обзор и валидацию при переходе установленных рабочих процессов CEA2 на CEA v3, особенно для критически важных для миссии анализов или случаев, которые зависят от устаревших предположений.