Cantera：C++でのプログラミング

※Canteraバージョン：3.0.0

Canteraは、Pythonの他にもC++やFORTRANなどの言語でも使用することができる。

ソースコードのコンパイル

CanteraはC++でソースコードが書かれているため、自分のC++プログラムにCanteraのライブラリをリンクして使用することができる。

そのためには、以下の公式サイトの方法で、ライブラリをインストールして使うか、

https://cantera.org/install/conda-install.html#sec-conda-development-interface

もしくは、以下のページのようにCanteraのソースコードをダウンロードして、ソースからコンパイルする。

https://cantera.org/install/compiling-install.html#sec-compiling

コンパイラーは、GNU、Microsoft Visual Studio、Intel compiler、MinGWなどに対応しているので、自分の環境にあったもので構築できる。

今回は、WindowsのMinGW-W64のコンパイラーで、ソースからコンパイルした。少しややこしいが、公式サイトにしたがって、Anaconda環境でsconsでビルドする。

着火遅れ時間の計算

以下のPythonで行った着火遅れ時間の計算をC++で書いて計算してみる。

C++プログラム

全体のフローは、基本的に上記のPythonプログラムと対応している。

CanteraのC++ドキュメントは以下を参照。

https://cantera.org/documentation/docs-3.0/doxygen/html/index.html

今回のプログラムのソースコード（GitHub）

#include "cantera/core.h"
#include "cantera/zerodim.h"
#include "cantera/kinetics.h"
#include "cantera/base/Array.h"

#include <iostream>
#include <fstream>

using namespace Cantera;

ヘッダーとCanteraのnamespaceを設定。

    // define gas state
    auto sol = newSolution("LLNL_heptane_160.yaml");
    auto gas = sol->thermo();
    gas->setState_TP(temp, p);
    gas->setEquivalenceRatio(phi, "nc7h16", "o2:1.0, n2:3.76");

newSolutionで反応メカニズムファイルを指定。ここでは、gasに状態量をセットする。

    // define reactor
    IdealGasReactor r;
    r.insert(sol);

    ReactorNet sim;
    sim.addReactor(r);

IdealGasReactorの反応器オブジェクトと反応器ネットワークを定義する。

    // time loop
    double time = 0.0;
    int nstep = tend / dt;
    Array2D states(2, nstep);
    for (int i = 0; i < nstep; i++)
    {
        sim.advance(time);
        states(0, i) = time;
        states(1, i) = r.contents().temperature();
        time += dt;
    }

時間発展して反応計算を行う。Array2Dは、２次元配列のクラスで、時間と温度を格納するのに使っている。

    // ignition delay time
    double diffMax = 0.0;
    int ix = 0;
    for (int i = 0; i < nstep - 1; i++)
    {
        double diff = states(1, i + 1) - states(1, i);
        if (diff > diffMax)
        {
            diffMax = diff;
            ix = i;
        }
    }
    double time_igd = states(0, ix);
    std::cout << "Ignition Delay Time: " << time_igd * 1e6 << " micro sec" << std::endl;

ここでは、温度勾配が最大となる時刻を取得し、着火遅れ時間time_igdとしている。

    // write csv
    std::ofstream file("output.csv");
    file << "time, temperature" << std::endl;
    for (int i = 0; i < nstep; i++)
    {
        file << states(0, i) << "," << states(1, i) << std::endl;
    }
    file.close();

Pythonではグラフ出力しているが、ここではCSVファイルに結果を出力している。