软件影响11（2022）100206原始软件出版物CRFlowLib-化学反应流库AmericoCunhaJra，LuisFernandoFigueiradaSilvab，ca里约热内卢州立大学，巴西里约热内卢bInstitut Pprime，UPR 3346 CNRS，ENSMA，BP 40109，86961 Futuroscope-Chasseneuil，Francec巴西里约热内卢天主教大学A R T I C L E I N F O保留字：化学反应流燃烧模拟热化学还原原位自适应制表A B标准从计算的角度来看，反应流的模拟是一项非常具有挑战性的任务，因为除了考虑流体动力学的所有复杂方面之外，还需要详细描述该过程中涉及的化学动力学。因此，使用策略来减少模拟时间是必不可少的。在现有的减少技术中，原位自适应制表（ISAT）是最有前途的，因为它提供了一个很好的折衷精度和成本降低。本文介绍了CRFlowLib，用ISAT算法模拟化学反应流的计算程序包代码元数据当前代码版本2.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2021-165可再生胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/2804669/tree/v1法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统使用C和Fortran的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性Ubuntu、GSL 2.6、SUNDIAL 5.0.0和Chemkin-II如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/americocunhajr/CRFlowLib如有疑问，请发送支持电子邮件至americo. gmail.com1. 介绍通常，用于预测反应流（或系统）的行为的计算模型求解由本构模型（流体行为、湍流、辐射、动力学机制、状态方程等）补充的连续介质力学的平衡方程，初始和边界条件，以及感兴趣域的适当几何表示。燃烧问题的解决方案通常需要化学动力学机制，其中包含根据非平衡基元反应演化的非平衡物种。因此，需要将5+非线性偏微分方程由于强非线性和耦合传输现象在多个尺度下，从这些反应系统的基础复杂的物理引起的，计算相关的计算机模型的响应的过程是相当复杂和极其昂贵的[1在这方面，过去几十年来，科技文献显示出越来越多的努力，用于模拟具有详细化学动力学的反应系统的降阶计算模型[4，5]。原位自适应制表法（InSituAdaptiveTabulation，ISAT）是1997年由S.B. Pope [6]，并且可以被认为是反应流模拟的里程碑，因为它能够通过可以达到三个数量级的令人印象深刻的值的因子来加速涉及化学动力学的计算，并且具有可控的精度损失。该技术包括逐步（原位）创建二叉搜索树，该二叉搜索树存储（制表）来自反应流模拟的信息以供后验使用。每当需要模型方程的积分时，沿着该树执行搜索，并且检索列表解。如果从树中检索到的信息令人满意，在用户规定的公差- 检索的解决方案是在一定的精度椭球，这控制放大的近似误差-本文中的代码（和数据）已由Code Ocean认证为可复制：（https://codeocean.com/）。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。∗通讯作者。电子邮件地址：americo. uerj.br（A. Cunha Jr），luisfer@puc-rio.br（L.F. Figueira da Silva）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2021.100206接收日期：2021年11月14日;接收日期：2021年12月3日;接受日期：2021年12月13日2665-9638/©2021作者。由Elsevier B. V.发布，这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsA. Cunha Jr和L.F. 菲盖拉·达席尔瓦软件影响11（2022）1002062图1.一、 PMSR-ISAT主程序和CRFlowLib库的 示 意 图 ， 以及它 们 的内部和外部依赖关系的指示。溶液该近似解在时间上具有二阶局部误差，从而确保全局误差是一阶的。 该算法还包括一个自适应策略，用于更新二叉树（学习过程），重点是随着模拟的进行而改进近似值。这种自适应特性允许将该算法视为机器学习技术（或进化算法）[4，6，7]。 本文介绍了一种用于反应系统模拟的开放式ISAT实现，它是一个通用计算软件包CRFlowLib -Chemically Reacting Flow Library的一部分，用于模拟PaSR - PartiallyStirred Reactor和PMSR-Pairwise Mixing Stirred Reactor等瞬态均相反应器。2. 软件详细信息CRFlowLib是一个混合代码，具有ANSI C和Fortran 77语言实现的库，完全模块化，带有注释的route和函数。为了确保其功能，遵循科学计算和软件工程的良好实践对其进行了测试和调试[8]。目前，2.0版由几个模块组成，并依赖于3个外部库：（i）GNU Scientific Li-Qiang 2.6版，这是一组用于科学计算的开源库[9];（ii）Chemkin-II，用于化学动力学计算的Fortran库[10];以及（iii）SUNDIALS：非线性和微分/代数方程求解器套件5.0.0版，这是一组开源库，具有非常强大的例程，用于非线性微分方程的数值积分[11]，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行开发和维护。下文介绍了这些模块的功能• ckthrm.f：包含执行与化学动力学相关的计算的例程的库;• thrm_lib.c：具有执行与化学动力学相关的计算的例程的库;• pasr_lib. c：包含用于定义PaSR均质反应器模型的• pmsr_lib. c：包含用于定义PMSR均质反应器模型的• bst_lib. c：包含操作二叉搜索树的例程的库;• ell_lib. c：包含操作椭圆体的例程的库• ode_lib. c：包含集成化学反应器动态的例程的库• isat_lib.c：包含加速化学动力学计算的例程的库• util_lib. c：包含通用实用程序例程的库• mainconp. c：计算恒压反应器平衡的程序;• mainpmsr-di. c：通过直接积分模拟PMSR均相反应器的程序;• mainpmsr-isat. c：通过ISAT模拟PMSR均相反应器的程序;• mainpmsr-isat-di. c：估计ISAT算法引起的全局误差的程序。CRFlowLib包的模块化结构、不同库和程序之间的依赖关系以及对外部库的依赖关系，可以在图中看到。1.一、请注意，在其他模拟器中使用CRFlowLib库是非常自然的，程序员需要调用另一个代码。此外，由于现代编译器允许在C++或Fortran开发的程序中直接调用用C编写的例程，因此主模块不一定需要用ANSI C编写，这些其他语言的开发也很简单。3. 影响概述CRFlowLib是在里约热内卢天主教大学（PUC-Rio）开发的，2006年至2010年，在第一作者的本科和硕士课程期间它被认为是一个用于反应流模拟的开放库，从实现ISAT开始模拟瞬态均相反应器[8，13，14]。由于其模块化结构和开源性质，扩展相对容易实现，因此该软件包可以与其他现有的模拟器耦合，如[15]中所做的那样，该模拟器使用该ISAT库来模拟甲烷-空气气体混合物燃烧时的虽然ISAT是一种用于加速反应流模拟中热化学计算的成熟技术[4，7]，但可能由于相关的数学复杂性，其算法在互联网上很少有开放的实现例如，维基百科[16]提到了两个Fortran实现，A. Cunha Jr和L.F. 菲盖拉·达席尔瓦软件影响11（2022）1002063S. B. Pope和合作者[17]（目前已经实施了ISAT的改进版本[7]），开发了由康奈尔大学的湍流和燃烧小组编写，这是对Pope代码的改编据作者所知，CRFlowLib是唯一一个用ANSI C语言实现ISAT算法的开放代码，由于这种低级语言的计算能力和灵活性，这是一个显着的特点。4. 最后发言CRFlowLib是一个计算包，它提供了一个广泛的框架来分析几种类型的反应系统。 其模块化和可定制的架构使其与现有的开放式模拟器（例如Open FOAM [21]，FEniCS [22]等）相结合， 这开辟了潜在应用的广阔范围。从这个意义上说，我们认为，该软件包是一个重要的工具来模拟具有复杂的热化学反应系统，有可能带来在这一领域的基础和应用研究的竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢作者感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq），高等教育人员改进协调会（CAPES）和里约热内卢州研究支持基金会（FAPERJ）为这项研究提供的财政支持在这项工作中，L。F. Figueira da Silva是从国家科学研究中心（CNRS）Pprime研究所休假的。引用[1]R.O.刘晓波，湍流反应流的计算模型，北京大学出版社，2003年。[2]R.J. Kee，M.E.作者：Coltrin，P. Zhu，化学反应流：理论、建模和模拟，第二版，Willey，Hoboken，2017.[3]T. Poinsot ， D. Veynante ， Theoretical and Numerical Combustion ， 2nd ，Edwards，Philadelphia，2005，p. 522号[4]S.B. Pope，Z. Ren，计算燃烧中化学的有效实现，Flow Turbul。燃烧。82（4）（2009）437-http://dx.doi.org/[5] L.P. de Oliveira，D. Hudebine，D. Guillaume，J.J.Verstraete，复杂过程动力学建 模 方 法 综 述 ， 石 油 天 然 气 科 学 。 71 （ 2016 ） 45 ，http://dx.doi.org/10.2516/ogst/2016011。[6]S.B. Pope，使用原位自适应制表的燃烧化学的计算有效实现，燃烧。理论模型1（1）（1997）41http://dx.doi.org/10.1080/713665229[7]L. Lu，S.B. Pope， 一种 改进的 原位 自适 应制 表算 法，J.Comput。 228（ 2）（2009）361 http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2008。九点一刻[8]A.B. Cunha Jr ， Reduction of Complexity in Combustion Thermochemistry ，Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro，Rio de Janeiro，2010.[9] M. Galassi，J. Davies，J. Theiler，B. Gough，G. Jungman，P. Alken，M.布斯，F。罗西河Ulerich，GNU科学图书馆2.6版，GNU出版社，波士顿，2019年。[10] R.J. Kee，F.M. Rupley，J.A. Miller，CHEMKIN-II：用于气相化学动力学分析的Fortran化 学 动 力 学 软 件 包 ， Tech。 代 表 ： (SAND89 -8009） Sandia NationalLaboratories，Livermore，1989，p. 一百二十七[11] A.C.作者：P. Grant，S.利河，巴西-地Serban，D.E. Shumaker，C.S. Woodward，SUNDIALS：Suite of nonlinear and differential/algebraic equation solvers，ACMTrans. Math. Software 31（3）（2005）363http://dx.doi.org/[12] A.B. Cunha Jr，Chemical Kinetics Automatic Reduction in Combustion Problems，Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro ， Rio de Janeiro ， 2007 ，（inPortuguese）.[13] A.B.小库尼亚Figueira da Silva，自适应技术的特征以减少燃烧热化学，在：Proceedings of ENCIT 2010，2010中。[14] A.小库尼亚L.F.张文，等离子体反应器的动态特性研究，硕士论文。机械科学院Eng.36（2）（2014）377http://dx.doi.org/10.1007/s40430-013-0080-4[15] C. Celis，L.F. 陈晓，碳烟生成机理的计算分析，北京，中国科学院环境研究所。布拉兹。Soc.机甲Sci.38（2016）2225http://dx.doi.org/10.1007/s40430-016-0494-x[16] 维基百科贡献者，原位自适应制表-维基百科，自由的百科全书，2021年，URLhttps://en.wikipedia.org/wiki/In_situ_adaptive_tabulation ， 在 线 ; 访 问 5-November-2021]。[17] S. Pope，V. Hiremath，S. Lantz，Z.伦湖，澳-地Lu，ISAT-CK 7：加速燃烧化学实施的Fortran 90库，2012年，http://tcg.mae。cornell.edu/ISATCK7网站。[18] ISAT-CK7-Cantera，2014，GitHubRepository，GitHub，https://github.com/nogenmyr/ISAT-CK7-Cantera.[19] 丹吉Goodwin，R.L.香港施百思Moffat，B.W. 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