突变：C中部分电离气体热力学和输运性质的开源软件库 v1.0.0

软件X 12（2020）100575原始软件出版物突变++：C++中电离气体的多组分热力学和输运性质James B.Scoggins，1，Vincent Leroy2，Georgios Bellas-Chatzigeorgis3，Bruno Dias，蒂埃里·E. Maginvon Karman流体动力学研究所，B-1640 Rhode-St-Genèse，比利时ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2019年2020年7月6日收到修订版，2020年保留字：部分电离气体热化学非平衡多相平衡气体-表面相互作用a b st ra ctMutation++库提供了在不同程度的热不平衡下与部分电离气体使用v1.0.0，用户可以计算热力学和输运性质、多相线性约束平衡、化学生产率、能量转移率和气体-表面相互作用。该框架基于C++中的面向对象设计，允许用户根据需要即插即用各种模型，算法和数据。Mutation++在GNU Lesser GeneralPublic License v3.0下是开源的。©2020作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_231法律代码许可证LGPL-3.0使用git的代码版本控制系统使用C++、Python、Fortran、CMake、Eigen、Catch2、Doxygen的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖性Linux，Mac OS X如果可用，链接到开发人员文档/手册，请参阅Github项目的文档。问题支持电子邮件scoggins@vki.ac.be1. 动机和意义热化学非平衡、部分电离气体性质的评估对于广泛的应用是必不可少的，包括高超音速流、太阳物理学和空间天气、离子推进器、医疗等离子体、燃烧过程、流星现象和生物质热解。例如，高超声速流场的预测在大气层进入飞行器热防护系统的发展中起着重要的作用。这样的流动跨越了广泛的时间尺度，从局部热力学平衡到热化学非平衡。作为*通讯作者。电子邮件地址：scoggins@vki.ac.beJ.B. Scoggins）。1 现在在法国理工学院数学中心。2 现在在比利时的Rayference。3 现在在美国宇航局艾姆斯研究中心，莫菲特场，加利福尼亚州。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100575在今天的高超声速计算流体动力学（CFD）程序中，使用了无数的物理化学模型、数据和算法在这些代码中采用的热化学模型直接影响气体性质的评估，关闭流体守恒定律这些参数包括混合物的热力学和输运性质、物种化学生产率和能量传递率。这些性质中的每一个进一步取决于各种专门的算法和数据的选择，例如物种配分函数、输运碰撞积分和反应速率系数。模型的实施、测试和维护就开发模拟工具所需的人力资源和时间而言，模拟热非平衡流所需的算法和数据代表了显著的成本。随着新的模型、算法或数据的出现，需要额外的努力来更新现有的代码，特别是当模型是“硬编码”的时候。 许多商业和学术软件2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2J.B. Scoggins，V。Leroy，G.Bellas-Chatzigeorgis等人粤公网安备44010502000015号[客户端][客户端]∇˜˜== −·包 提 供 气 体 属 性 ， 包 括 CEA [1] ， EGLIB [2] ， pegase [3] ，CHEMKIN [4]，Cantera [5]和KAPPA [6]，然而，这些库倾向于专注于特定的应用，狭窄的碰撞时间尺度范围，或者专门提供某些类型的属性。这些观察结果促使人们希望减少实施新模型和算法所需的工作，并将其开发集中到一个单一的软件库中，该软件库可供多个CFD代码使用，以最大限度地提高代码重用、测试和开放合作。本文介绍了Mutation++库，其已经被开发以满足该目标。突变 ++ 是对Fortran 77编译器MUTATION [7]进行了完全的重新设计和扩展，并在开发时考虑了几个目标，包括1. 为多组分、部分电离的气体提供精确的热力学、传输和化学动力学性质，2. 确保使用C++中最先进的面向对象算法和数据结构对这些属性进行有效评估，3. 易于扩展以在新数据或算法变得可用时合并它们4. 接口到任何模拟工具的基础上解决方案的守恒定律通过一个一致的和逻辑的接口，5. 使用自我记录的数据库格式，以减少数据转录错误并提高可读性，以及6. 开源以促进不同研究社区之间的代码和数据共享。最新版本的Mutation++（v1.0.0）最近在LGPL v3下开源4在本文的其余部分，我们介绍了图书馆的概况及其对研究界的影响。特别是，图书馆的四个主要模块-2. 软件描述2.1. 广义守恒方程虽然这是超出了本文的范围，详细描述所有的各种物理化学模型，在文献中，它是有用的，简要介绍了一个通用的模型，已被用于库的设计。关于更完整的讨论，请参见Scoggins的工作[8]。我们考虑一个广义守恒律的形式，U=S，（1）其中UρiρuρEρemT是物质质量、动量、总能量密度和内能密度的矢量，F（U，xU）表示它们的通量，S（U）是源函数。密度向量中索引变量上的波浪号U、F和S的确切形式取决于（1）坐标系，（2）物理模型（即：Euler，平衡、反应、多温度、状态到状态）。我们定义热化学态矢量为U_n=ρ_iρeρe_mT其中ρe ρ E ρu u/2是气体的静态能量密度。 通量和源函数由本构关系封闭4 https://github.com/mutationpp/Mutationpp网站。图1.一、 Mutation ++库及其与CFD的耦合概 述 。气体的热力学、运输和化学性质这些包括诸如压力、焓、粘度、热导率、扩散系数、化学生产率和能量传递源项等量。总的来说，这些道具--erties仅仅是局部状态向量U的函数，并且可能梯度。这一事实使我们能够分离方程的解。（1）分为两个单独的域，由CFD求解器和Mutation ++控制有限耦合，如图所示。1.一、2.2. 软件构架Mutation++的设计重点是C++中的面向对象编程（OOP）模式。该库的应用程序编程接口（API）使用Doxygen格式进行了完整的文档记录。采用了持续一体化战略。回归和黑盒测试是通过Catch2标题测试框架和 CTest 的组合来执行的。对库的主要访问是通过Mixture对象，该对象被实现为一组子模块，这些子模块封装了清晰分离的物理量，如图1中简化的统一建模语言（UML）图所示。二、2.3. 软件功能图中的每个模块 2在下面的小节中进行了描述。图书馆可以提供的一些输出的具体例子在第3节中给出。2.3.1. 热力学热力学模块提供纯物质和混合物的热力学量，如焓、熵、比热或吉布斯自由能。混合物的热力学量是由混合物的组成纯物质的热力学数据可以在几个参考文献[9每个数据库之间存在差异，例如它们的格式，适用的温度范围或支持的非平衡程度。这种差异经常会影响仿真工具设计者选择单一的数据库格式来支持，或者直接将热力学数据硬编码到他们的模型中。这种方法很难根据需要更新数据，或者与使用不同数据库的其他工具进行比较。Mutation++框架提供了一个抽象层，该抽象层在具体的热力学数据库（对于任何给定的物种集合）和混合物热力学量的计算之间实施弱耦合。这样的设计提供了灵活性，可以根据需要以最小的工作量交换不同的数据库。NASA 7-和9-系数多项式数据库[18刚性转子/谐波振荡器（RRHO）模型目前J.B. Scoggins，V。Leroy，G.Bellas-Chatzigeorgis等人粤公网安备44010502000015号3图二、 简化的 UML类图显示了Mutation++架构的主要组件。图3.第三章。定 义 混 合 模 型 的 示例输入文件。切实贯彻NASA格式被广泛使用，并提供了热平衡中纯物质的热力学性质。RRHO模型适用于热非平衡计算。此外，一个新的数据库，包括1200多个中性和电离的物种含有C，H，O和N是在美国宇航局9系数格式的库。该数据库的详细信息已在[22]中发布。用户可以在创建混合物时指定具体的热力学模型（图1）。3a）。与热力学性质计算密切相关的一项任务是求解化学平衡组成。多相、约束平衡组成的高效和鲁棒计算是包括燃烧、航空航天和（生物）化学工程在内的若干领域中的重要课题，冶金、造纸工艺和用于大气层进入飞行器的热保护系统的设计（例如，[23与计算化学平衡相关的几个挑战使得传统方法在某些条件下难以收敛[1，29基于单相吉布斯函数延拓方法[33，34]的新多相平衡求解器专门针对Mutation++开发。多相吉布斯函数延拓（MPGFC）求解器对所有适定约束都是鲁棒有关求解器的更多详细信息， 在[35]中。2.3.2. 运输通过Boltzmann方程的多尺度Chapman-Enskog微扰解实现了输运通量的闭合，得到了必要输运的渐近表达式4J.B. Scoggins，V。Leroy，G.Bellas-Chatzigeorgis等人粤公网安备44010502000015号=MK=kr拉吉−brJR见图4。Mutation++中用于自动确定化学反应的分类树示例。树中的每个节点向左的分支表示该语句为假。 右分支表示正确的语句。图例描述了每个节点代表的语句。例如，第一个（顶部）节点表示“反应中没有第三体物种”。树的叶子是反应分类。请注意，每个语句的有效性很容易通过反应的化学计量系数的知识来确定系数，如导热系数，粘度和扩散系数[36这些系数的显式表达式是根据线性输运系统通过对Enskog展开的Laguerre-Sonine多项式近似以递增的精度阶导出的[41这些线性系统是运输碰撞积分和局部2.3.3. 动力学化学动力学模块的目标是由于有限速率化学反应的物种生产率的有效和鲁棒的计算。对于涉及S中物种的反应集R，我们考虑以下形式的生产率：状态向量，并且可以通过各种方法来求解。碰撞积分表示在给定混合物中考虑的每对物质的碰撞横截面的麦克斯韦平均值。ωsteck =∑v[k奥普夫日尔j∈SKρ[36]第34话，一个人的幸福，一个人的幸福。[45]第45话计算碰撞积分的首选方法是从精确的从头算势能面进行数值积分对于几个重要的碰撞系统，已有这种数据[46当势能面不可用时，碰撞积分由模型相互作用势积分。这些模型积分的评估可以分为几种方式-对温度和电离度的影响突变++引入了一种用于存储碰撞积分数据的自定义XML格式（图3b），1. 是自我记录的，2. 在数据和模型类型上易于扩展，3. 为缺失数据提供可自定义的默认行为，4. 确保标准比率的一致性。如图所示，该数据的即时加载和有效评估由CollisionDB对象处理。 二、线性输运方程组的求解对于某些CFD应用来说是一个相当大的CPU时间。在文献中已经提出了几种算法来降低这种成本[42，49 Mutation++提供即插即用的传输算法通 过 使 用 自 注 册 算 法 类 。 例 如 ， 抽 象 类ThermalConductivityAlgorithm，如图2所示。2提供了所有热导率算法必须包括的必要接口，即用于计算热导率和热扩散比的函数。然后通过创建实现接口的具体类来实现特定的算法。该模式已被用于多组分扩散矩阵和剪切粘度的计算。在[8]中给出了每个术语的完整描述。假定正向反应速率是单一的反应依赖性温度kfrkfr（Tfr）的函数，并且反向速率由平衡确定为kbr（Tbr）kfr（Tbr）/Keq，r（Tbr），其中Tbr是反向速率的反应依赖性温度。除了反应速率温度外，反应类型的知识在某些能量交换机制中也是必不可少的.手动输入数百或数千个反应的机制中的每个反应的类型可能是繁琐和错误的-倾向过程。因此，Mutation++提供了一个独特的功能，其在机构加载时自动确定反作用的类型。该问题被公式化为分类树[53]，可以使用每个反应的简单特征自动构建。这种分类树的一个例子在图中提供。 四、原则上，Eq. （2）是直截了当的，尽管需要非常小心才能有力和有效地做到这一点。动力学模块的简化类图如图所示。二、该模块包含一个由用户通过XML反应机制文件提供的反应对象列表（见图10）。 3c）。模块的其余部分由一组计算管理器组成（二）、这些包括反应速率的评估（2）），和第三体项，Θr的评估。一个额外的管理器类负责评估物种生产率的雅可比矩阵，这是隐式时间步进CFD算法所必需的。最后，Kinetics类协调使用这 些 管 理 器 来 评 估 Eq 。 （ 2 ） 及 其 关 于 物 种 密 度 和 温 度 的Jacobian。r∈Rfrj∈SJ.B. Scoggins，V。Leroy，G.Bellas-Chatzigeorgis等人粤公网安备44010502000015号5（）下一页[客户端]˜˜图五. 选择的热力学和运输性能计算与突变++的等压空气混合物在平衡在0。01 atm（红色），0. 1 atm（蓝色），1 atm（黑色）。（关于此图例中颜色的参考解释，请读者参考本文的网络版本2.3.4. 气体-表面相互作用气体-表面相互作用（GSI）模块为方程提供表面边界条件。（一）.它们是通过将质量、动量和能量守恒应用于处于稳态的表面上的薄控制体积而获得的，其形式为Fg−Fb·n=Ss，（3）其中Fg和Fb是气相和体相通量，n是表面法线，Ss是与表面过程相关的源项。Mutation++提供了几个可以混合使用的内置术语通过自定义XML格式创建模型，如图所示。3D.一旦指定了模型，平衡方程就通过面向对象的方法动态地创建，一个表面对象（图2）的情况。由此产生的非线性方程为以稳健有效的方式进行稳态平衡，以获得CFD或材料求解器所需的边界条件。关于GSI模型的更多信息可以在[54]中找到。3. 说明性实例3.1. 热力学和输运性质图5给出了一组由Mutation++计算的热化学平衡下11种等压空气混合物平衡摩尔数使用NASA-9和RRHO热力学数据库提供了馏分和热力学性质在可能的情况下，与D'Angola等人的平衡空气曲线拟合的比较[55]和Murphy的导热系数数据[56]，表面热力学状态的函数（存储为U=Azinovsky等人”[57]也有表示。ρiρe 表面状态中的ρe mT）、界面的热化学性质以及两个连接相（例如表面性质和固体性质）。该框架为各种表面的描述提供了灵活性（例如化学活性的、不可渗透的、具有固定除气的多孔的等）。对于每种类型的表面，Mutation++提供通量，在Eq.中表示的源项（3）客户端代码。库的一个非常独特的功能是，它可以根据需要解决rium’’冻结曲线忽略了通过平衡反应的物种组成对温度的依赖性，而平衡曲线则没有。这种区别是重要的，因为它表明，这些属性可以有很大的变化，这取决于用户采用的热化学模型有关模型、数据、算法和这些图的解释的更多信息，请参见[58]中的讨论。6J.B. Scoggins，V。Leroy，G.Bellas-Chatzigeorgis等人粤公网安备44010502000015号=˙C≡WG作者声明，他们没有已知的竞争对手，见图6。使用Mutation ++ [ 22 ]计算空气中碳-酚醛烧蚀剂的平衡炭质量吹扫速率和壁摩尔分数。3.2. 平衡消融率进入大气层飞行器热防护系统（TPS）材料响应预测中的一个重要问题是所谓“B素”表的求解。B-prime表描述了烧蚀TPS表面的平衡气体成分以及由于表面反应（如氧化或氮化）而导致的质量损失率。假设在烧蚀TPS上的薄控制体积对于每种物质具有相等的扩散系数yB′cyc+B′gyg+ye，（4）B′+B′+1数据和算法，用于模拟气体和气体表面现象。凭借高效和可扩展的框架，Mutation++可以轻松地与现有的CFD工具相结合，使研究人员能够有效地测试新的热力学，运输或化学模型，物理化学数据或数值算法。此外，图书馆的用户可以从其他人的工作中受益。通过协作测试，错误修复和维护，这是由一个持续的发展和集成战略的支持自创建以来，Mutation++已被用于许多领域，从最初的进入大气层的高超音速流的动机出发，[59这些包括生物质热解[63]、太阳物理学[64]、磁化传输[43]和流星现象[65将该库应用于最初计划之外的领域，突出了框架的可扩展性及其对基础研究的影响。图书馆也被用来在有限的商业环境中。最近，Mutation++在与LMS Samcef（Siemens）的材料响应代码Amaryllis和由C laVie 和 NASA Ames 研 究 中 心 联 合 开 发 的 多 孔 材 料 分 析 程 序（PATO）以及斯坦福大学的CFD平台SU2和明尼苏达大学的US3D通过联合合作进行耦合。5. 结论Mutation++库提供了一个OOP框架，用于计算热化学非平衡谱上所有点处的非完全电离气体混合物的热力学、输运和动力学性质。该库利用热化学性质对气体局部热力学状态的简单依赖性，通过干净一致的API实现这些性质的计算与需要它们的模拟工具之间的弱耦合代码在GitHub上免费提供，具有LGPL v3.0许可证，遵循持续集成开发策略，定期版本化，以减轻用户的向后兼容性问题。本文为该库标记了v1.0.0版本。未来的版本将致力于为最终用户提供更多的功能和更大的灵活性。竞合利益其中，y是元素中任何元素的元素质量分数混合物中，下标w、c、g和e分别指壁、炭、热解气体和边界层边缘性质，m/（ρeue CM）是质量吹扫速率，通过以下公式无量纲化：边界层边缘质量通量，CM是质量传递的局部斯坦顿数。当与已知表面条件下的吉布斯能最小化相结合时，方程（4）可以解决从而得到物种组成和焦炭质量吹气速率B′c。图图6示出了使用Mutation ++执行的这种计算，第2.3.1节中讨论的自定义热力学数据库。将B′c结果与NASA化学平衡应用程序（CEA）热力学数据库中关于这些数据库差异的更多讨论见[22]。4. 影响Mutation++的主要目标是通过降低开发新物理化学模型的成本，促进在高超音速、燃烧和等离子体物理等广泛领域工作的不同研究小组和社区之间的开放式可能出现影响本文报道的工作。致谢Mutation++ v1.0.0的开发得到了空军科学研究办公室资助（编号FA 9550 -18-1-0209）、欧洲研究委员会启动资助（编号259354）和概念验证资助（编号713726）的部分支持。作者感谢Nagi N.Mansour、Jean Lachaud和Alessandro Turchi在图书馆开发过程中进行了宝贵的讨论和指导。其他贡献，包括库的开发和测试，在项目的GitHub网站上列出引用[1]Gordon S，McBride BJ.复杂化学平衡组成计算的计算机程序及其应用。分析.Tech.众议员RP 1311，NASA;1994年。[2]Ern A，Giovangigli V. 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