TB 26-04：NASA化学平衡应用（CEA）代码的更新与现代化

如需更多信息，请联系格伦研究中心的Mark K. Leader，邮箱：[email protected]

NASA的化学平衡与应用（CEA）代码是推进系统分析的基础工具。它提供平衡化学、火箭性能、激波和爆轰计算，广泛应用于NASA及更广泛的航空航天界。NASA工程与安全中心（NESC）活动TI-22-01730将传统的CEA2 Fortran代码现代化为CEA v3，这是一个Fortran 2008、面向对象的软件包，具有扩展的接口支持、更新的热化学数据、改进的可维护性以及大幅改善的工作流集成。现代化后的代码保留了与传统CEA输入工作流的向后兼容性，同时支持从现代分析环境（包括Python、C、MATLAB和自动化设计研究）直接使用。

背景

CEA2于2002年发布，至今仍广泛用于推进和热化学分析。然而，由于缺乏子程序接口，原有的过程式Fortran实现越来越难以维护、扩展和集成到现代工程工作流中。当前的推进分析越来越需要自动化参数扫描、与其他建模工具和工程工作流的集成，以及对新兴推进剂和燃料（包括绿色推进剂和可持续航空燃料）的支持。这些需求促使了全面的现代化工作，以保留CEA经过验证的技术基础，同时提高其可维护性、可用性以及与现代工程软件的集成。

技术改进

现代软件架构

CEA v3采用Fortran 2008实现，使用面向对象的数据结构、更严格的类型检查和线程安全的平衡求解器架构。该软件支持Fortran、C、Python、MATLAB和Excel接口。这些接口允许CEA直接用于自动化分析管道、多学科设计框架和大规模实验设计研究。通过传统的命令行界面支持向后兼容性，允许现有CEA输入文件和工作流以最小干扰继续使用。

扩展的物种和热力学数据

热力学数据库已扩展，以支持与当前NASA应用相关的额外推进剂和燃料，包括绿色推进剂组分如ADN、HAN和LMP-103S，以及可持续航空燃料候选如正丁醇。扩展的物种覆盖范围提高了CEA在下一代推进、绿色推进剂和可持续航空燃料研究中的适用性。

新的建模能力

CEA v3新增或改进了对多种建模能力的支持，

包括：

• 子程序接口，支持直接集成和大规模计算
• 负反应物量
• 惰性烃类燃料表示，包括RP-1、Jet-A和JP系列燃料
• 解析总导数，用于与优化和敏感性分析工作流耦合

性能改进

对于独立使用，CEA v3中的单个平衡计算比相应的CEA2计算稍慢，因为现代化架构和增加的鲁棒性引入了额外的计算开销。在代表性测试中，单个计算大约慢40%，但绝对差异仅为每案例约0.004秒。然而，对于多案例工作流（在实验设计研究、参数扫描、优化和不确定性分析中常见），现代化架构提供了显著性能优势。在一个基准测试中，扫描108,500个案例在CEA v3中约1.11秒完成，而使用CEA2约需15分钟。这相当于该工作流运行时间减少约800倍。这些改进使大规模推进权衡研究和自动化设计空间探索变得更加实用。

工程使用指南

NASA工程用户应考虑以下指南：

• 尽可能在新推进和热化学分析中使用CEA v3，以利用现代化接口、扩展数据库和改进的工作流集成。
• 对自动化工作流（包括参数扫描、优化研究和迭代设计分析）使用Python、MATLAB或C接口。
• 在相关物种包含并验证适用于预期应用时，使用更新的物种数据库进行绿色推进剂和可持续航空燃料研究。
• 当需要与传统CEA工作流或输入文件保持连续性时，使用经典命令行界面。
• 在将既有CEA2工作流过渡到CEA v3时，保留适当的工程审查和验证，特别是对于关键任务分析或依赖传统假设的情况。

参考文献

• NASA/TM–20260007987
• CEA文档：https://nasa.github.io/cea
• CEA仓库：https://github.com/nasa/cea