Para obter mais informações, entre em contato com Mark K. Leader, Glenn Research Center, mark.leader@nasa.gov
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O código Chemical Equilibrium with Applications (CEA), da NASA, é uma ferramenta fundamental para a análise de sistemas de propulsão. Ele fornece cálculos de química de equilíbrio, desempenho de foguetes, choques e detonações, utilizados em toda a NASA e pela comunidade aeroespacial em geral. A Atividade TI-22-01730 do NASA Engineering and Safety Center (NESC) modernizou o antigo código CEA2 em Fortran, transformando-o no CEA v3, um pacote de software orientado a objetos em Fortran 2008, com suporte ampliado a interfaces, dados termoquímicos atualizados, maior facilidade de manutenção e integração significativamente aprimorada aos fluxos de trabalho. O código modernizado preserva a compatibilidade retroativa com os fluxos de entrada legados do CEA, ao mesmo tempo que permite o uso direto em ambientes modernos de análise, incluindo Python, C, MATLAB e estudos automatizados de projeto.
Contexto
O CEA2 foi lançado em 2002 e continua sendo amplamente utilizado em análises de propulsão e termoqüímica. No entanto, a implementação procedural original em Fortran tornou-se cada vez mais difícil de manter, ampliar e integrar aos fluxos de trabalho modernos de engenharia devido à ausência de uma interface de sub-rotina. Atualmente, as análises de propulsão exigem cada vez mais varreduras paramétricas automatizadas, integração com outras ferramentas de modelagem e fluxos de trabalho de engenharia, além de suporte a propelentes e combustíveis emergentes, incluindo propelentes verdes e combustíveis sustentáveis de aviação. Essas necessidades motivaram um esforço abrangente de modernização para preservar a base técnica validada do CEA e, ao mesmo tempo, melhorar sua facilidade de manutenção, usabilidade e integração com softwares modernos de engenharia.
Melhorias técnicas
Arquitetura de software moderna
O CEA v3 foi implementado em Fortran 2008 usando estruturas de dados orientadas a objetos, tipagem mais rigorosa e uma arquitetura de solucionador de equilíbrio segura para uso com múltiplas threads. O software oferece interfaces para Fortran, C, Python, MATLAB e Excel. Essas interfaces permitem usar o CEA diretamente em pipelines automatizados de análise, estruturas de projeto multidisciplinar e estudos de planejamento de experimentos com grande volume de casos. A compatibilidade retroativa é mantida por meio de uma interface de linha de comando legada, permitindo que arquivos de entrada e fluxos de trabalho existentes do CEA sejam mantidos com o mínimo de interrupção.
Dados ampliados de espécies e termodinâmicos
O banco de dados termodinâmico foi ampliado para oferecer suporte a propelentes e combustíveis adicionais relevantes para as aplicações atuais da NASA, incluindo constituintes de propelentes verdes, como ADN, HAN e LMP-103S, e candidatos a combustíveis sustentáveis de aviação, como n-Butanol. Essa cobertura ampliada de espécies melhora a aplicabilidade do CEA a estudos de propulsão de próxima geração, propelentes verdes e combustíveis sustentáveis de aviação.
Novos recursos de modelagem
O CEA v3 adiciona ou aprimora o suporte a diversos recursos de modelagem, incluindo:
- Interface de sub-rotina que permite integração direta e cálculos de grande volume
- Quantidades negativas de reagentes
- Representações de combustíveis de hidrocarbonetos inertes, incluindo RP-1, Jet-A e combustíveis da série JP
- Derivadas totais analíticas para integração com fluxos de trabalho de otimização e análise de sensibilidade
Melhorias de desempenho
Para uso independente, os cálculos individuais de equilíbrio no CEA v3 são moderadamente mais lentos que os cálculos comparáveis do CEA2, porque a arquitetura modernizada e a robustez adicional introduzem uma sobrecarga computacional. Em testes representativos, um único cálculo foi aproximadamente 40% mais lento, mas a diferença absoluta foi de apenas cerca de 0,004 segundo por caso. No entanto, a arquitetura modernizada oferece vantagens substanciais de desempenho em fluxos de trabalho com múltiplos casos, comuns em estudos de planejamento de experimentos, varreduras paramétricas, otimização e análises de incerteza. Em um teste de referência, uma varredura de 108.500 casos foi concluída em aproximadamente 1,11 segundo com o CEA v3, em comparação com aproximadamente 15 minutos usando o CEA2. Isso corresponde a uma redução de aproximadamente 800 vezes no tempo de execução desse fluxo de trabalho. Essas melhorias tornam muito mais viáveis os estudos de alternativas de propulsão em larga escala e a exploração automatizada do espaço de projeto.
Orientações para uso em engenharia
Os usuários de engenharia da NASA devem considerar as seguintes orientações:
- Use o CEA v3 para novas análises de propulsão e termoquímica sempre que possível, a fim de aproveitar as interfaces modernizadas, o banco de dados ampliado e a integração aprimorada aos fluxos de trabalho.
- Use as interfaces Python, MATLAB ou C para fluxos de trabalho automatizados, incluindo varreduras paramétricas, estudos de otimização e análises iterativas de projeto.
- Use o banco de dados de espécies atualizado para estudos de propelentes verdes e combustíveis sustentáveis de aviação quando as espécies relevantes estiverem incluídas e validadas para a aplicação pretendida.
- Use a interface clássica de linha de comando quando for necessária a continuidade com fluxos de trabalho ou arquivos de entrada legados do CEA.
- Mantenha a revisão e a validação de engenharia adequadas ao migrar fluxos de trabalho consolidados do CEA2 para o CEA v3, especialmente em análises críticas para a missão ou em casos que dependam de pressupostos legados.
Referências
- NASA/TM–20260007987
- Documentação do CEA: https://nasa.github.io/cea
- Repositório do CEA: https://github.com/nasa/cea
Para obter mais informações, entre em contato com Mark K. Leader, Glenn Research Center, mark.leader@nasa.gov