TB 26-04 Atualizações e Modernização do Código de Equilíbrio Químico com Aplicações (CEA) da NASA

Para obter mais informações, entre em contato com Mark K. Líder, Glenn Research Center, mark.leader@nasa.gov

O código de Equilíbrio Químico com Aplicações (CEA) da NASA é uma ferramenta fundamental para análise de sistemas de propulsão. Ele fornece cálculos de equilíbrio químico, desempenho de foguetes, choque e detonação usados na NASA e na comunidade aeroespacial em geral. A atividade TI-22-01730 do Centro de Engenharia e Segurança da NASA (NESC) modernizou o código legado CEA2 Fortran em CEA v3, um pacote de software orientado a objetos Fortran 2008 com suporte de interface expandido, dados termoquímicos atualizados, capacidade de manutenção aprimorada e integração de fluxo de trabalho substancialmente aprimorada. O código modernizado preserva a compatibilidade retroativa com fluxos de trabalho de entrada CEA legados, ao mesmo tempo que permite o uso direto de ambientes de análise modernos, incluindo Python, C, MATLAB e estudos de design automatizados.

O CEA2 foi lançado em 2002 e continua sendo amplamente utilizado para propulsão e análise termoquímica. No entanto, a implementação processual original do Fortran tornou-se cada vez mais difícil de manter, estender e integrar em fluxos de trabalho de engenharia modernos devido à falta de uma interface de sub-rotina. 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. Estas necessidades motivaram um esforço abrangente de modernização para preservar a base técnica validada do CEA e, ao mesmo tempo, melhorar a sua capacidade de manutenção, usabilidade e integração com software de engenharia moderno.

CEA v3 é implementado em Fortran 2008 usando estruturas de dados orientadas a objetos, tipagem mais rigorosa e uma arquitetura de resolução de equilíbrio segura para threads. O software suporta interfaces Fortran, C, Python, MATLAB e Excel. Essas interfaces permitem que o CEA seja usado diretamente em pipelines de análise automatizados, estruturas de projeto multidisciplinares e estudos de projeto de experimentos de alto volume. A compatibilidade com versões anteriores é suportada por meio de uma interface de linha de comando herdada, permitindo que os arquivos de entrada e fluxos de trabalho existentes do CEA sejam transportados com o mínimo de interrupção.

O banco de dados termodinâmico foi expandido para suportar propulsores e combustíveis adicionais relevantes para as 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 expandida de espécies melhora a aplicabilidade do CEA para estudos de propulsão de próxima geração, propulsores verdes e combustíveis de aviação sustentáveis.

CEA v3 adiciona ou melhora o suporte para vários recursos de modelagem,
incluindo:

Interface de subrotina permitindo integração direta e cálculos de alto volume
Quantidades negativas de reagentes
Representações de combustíveis de hidrocarbonetos inertes, incluindo combustíveis das séries RP-1, Jet-A e JP
Derivadas totais analíticas para acoplamento com fluxos de trabalho de otimização e análise de sensibilidade

Para uso independente, os cálculos de equilíbrio individuais no CEA v3 são moderadamente mais lentos do que os cálculos CEA2 comparáveis porque a arquitetura modernizada e a robustez adicional introduzem sobrecarga computacional adicional. Em testes representativos, um único cálculo foi aproximadamente 40% mais lento, mas a diferença absoluta foi de apenas cerca de 0,004 segundos por caso. No entanto, a arquitetura modernizada oferece vantagens substanciais de desempenho para fluxos de trabalho multicasos, 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 segundos 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 os estudos comerciais de propulsão em grande escala e a exploração automatizada do espaço de projeto significativamente mais práticos.

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 para aproveitar as interfaces modernizadas, o banco de dados expandido e a integração aprimorada do fluxo de trabalho.
Use as interfaces Python, MATLAB ou C para fluxos de trabalho automatizados, incluindo varreduras paramétricas, estudos de otimização e análises de design iterativas.
Use o banco de dados atualizado de espécies para estudos de propulsores verdes e combustíveis de aviação sustentáveis quando as espécies relevantes forem incluídas e validadas para a aplicação pretendida.
Use a interface de linha de comando clássica quando for necessária continuidade com fluxos de trabalho legados do CEA ou arquivos de entrada.
Mantenha a revisão e a validação de engenharia apropriadas ao fazer a transição dos fluxos de trabalho CEA2 estabelecidos para o CEA v3, especialmente para análises de missão crítica ou casos que dependem de suposições legadas.