TB 26-04 Updates and Modernization of NASA’s Chemical Equilibrium with Applications (CEA) Code

Para mais informações, entre em contato com Mark K. Leader, Centro de Pesquisa Glenn,mark.leader@nasa.gov

O código CEA (Equilíbrio Químico com Aplicações) da NASA é uma ferramenta fundamental para análise de sistemas de propulsão. Ele fornece a química de equilíbrio, o desempenho do foguete, cálculos de choque e detonação utilizados em toda a NASA e na comunidade aeroespacial em geral. A Atividade TI-22-01730 do Centro de Engenharia e Segurança da NASA (NESC) modernizou o código CEA2 Fortran legado para o CEA v3, um pacote de software orientado a objetos Fortran 2008 com suporte expandido de interface, dados termoquímicos atualizados, melhorabilidade aprimorada e integração de fluxo de trabalho significativamente melhorada. O código modernizado preserva a compatibilidade reversa com os fluxos de trabalho de entrada CEA legados, permitindo o uso direto a partir de ambientes de análise modernos, incluindo Python, C, MATLAB e estudos de design automatizados.

Contexto

O CEA2 foi lançado em 2002 e continua amplamente utilizado para análise de propulsão e termquímica. No entanto, a implementação original de Fortran procedural se tornou cada vez mais difícil de manter, estender e integrar em fluxos de trabalho de engenharia modernos devido à falta de uma interface de subrotina. A análise de propulsão atual exige cada vez mais varreduras paramétricas automatizadas, integração com outras ferramentas de modelagem e fluxos de trabalho de engenharia, e suporte para propulsores e combustíveis emergentes, incluindo propulsores verdes e combustíveis de aviação sustentáveis. Essas necessidades motivaram um esforço de modernização abrangente para preservar a base técnica validada do CEA, ao mesmo tempo em que melhora sua manutenibilidade, usabilidade e integração com softwares de engenharia modernos.

Melhorias Técnicas

Arquitetura de Software Moderna

A versão 3 do CEA é implementada em Fortran 2008 utilizando estruturas de dados orientadas a objetos, tipagem mais rigorosa e uma arquitetura de solucionador de equilíbrio thread-safe. O software suporta interfaces em Fortran, C, Python, MATLAB e Excel. Essas interfaces permitem que o CEA seja usado diretamente em pipelines de análise automatizados, frameworks de design multidisciplinar e estudos de design de experimentos de alto volume. A compatibilidade retroativa é suportada por meio de uma interface de linha de comando legada, permitindo que arquivos de entrada e fluxos de trabalho existentes do CEA sejam levados adiante com mínima interrupção.

Dados Térmicos e de Espécies Ampliados

O banco de dados térmico foi ampliado para suportar propulsores e combustíveis adicionais relevantes para aplicações atuais da NASA, incluindo constituintes de propulsores verdes como ADN, HAN e LMP-103S, e candidatos a combustíveis de aviação sustentáveis, como o n-Butanol. Esta cobertura ampliada de espécies melhora a aplicabilidade do CEA para estudos de propulsão de próxima geração, propulsores verdes e combustíveis de aviação sustentáveis.

Novas Capacidades de Modelagem

A versão 3 do CEA adiciona ou melhora o suporte a várias capacidades de modelagem,
incluindo:

Interface de subrotina que permite integração direta e cálculos de alto volume
Quantidades de reagentes negativos
Representações de combustíveis hidrocarbonetos inertes, incluindo RP-1, Jet-A e combustíveis da série JP
Derivadas totais analíticas para acoplamento com fluxos de trabalho de otimização e análise de sensibilidade

Melhorias de desempenho

Para uso independente, cálculos individuais de equilíbrio no CEA v3 são moderadamente mais lentos do que cálculos comparáveis no CEA2, pois a arquitetura modernizada e a robustez adicionada introduzem sobrecarga computacional adicional. Em testes representativos, um único cálculo foi aproximadamente 40% mais lento, mas a diferença absoluta foi de cerca de 0,004 segundos por caso. No entanto, a arquitetura modernizada oferece vantagens significativas de desempenho para fluxos de trabalho de múltiplos casos, que são comuns em estudos de projeto de experimentos, varreduras paramétricas, otimização e análises de incerteza. Em um benchmark, uma varredura de 108.500 casos foi concluída em aproximadamente 1,11 segundo com o CEA v3, comparado com cerca de 15 minutos usando o CEA2. Isso corresponde a uma redução de tempo de execução de aproximadamente 800 vezes para esse fluxo de trabalho. Essas melhorias tornam estudos de troca de propulsão em larga escala e exploração automatizada do espaço de design significativamente mais práticos.

Orientação para uso de engenharia

Os usuários de engenharia da NASA devem considerar as seguintes orientações:

Utilize o CEA v3 para novas análises de propulsão e termquímica sempre que possível para aproveitar as interfaces modernizadas, a base de dados expandida e a integração aprimorada do fluxo de trabalho.
Utilize as interfaces Python, MATLAB ou C para fluxos de trabalho automatizados, incluindo varreduras paramétricas, estudos de otimização e análises de design iterativo.
Utilize a base de dados de espécies atualizada para estudos de propulsores verdes e combustíveis de aviação sustentáveis quando as espécies relevantes forem incluídas e validadas para a aplicação pretendida.
Utilize a interface de linha de comando clássica quando a continuidade com fluxos de trabalho ou arquivos de entrada CEA legados for necessária.
Mantenha a revisão e validação de engenharia apropriadas ao migrar fluxos de trabalho CEA2 estabelecidos para CEA v3, especialmente para análises críticas ou casos que dependem de pressupostos legados.

Referências

NASA/TM–20260007987
Documentação CEA:https://nasa.github.io/cea
Repositório CEA:https://github.com/nasa/cea