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外部工具與橋接模組

本專案透過橋接模組與以下外部工具整合，以提升燃燒、CFD、結構、軌道與火箭設計能力。除 RocketCEA 與 Cantera 可經 pip 安裝外，其餘需自行安裝並設定環境。

1. NASA CEA / RocketCEA

項目 說明
用途 化學平衡燃燒：燃燒室溫度、比熱比、氣體常數、特徵速度、真空比衝
安裝 pip install rocketcea（見 requirements.txt）
橋接 cea_bridge.py
整合 推進／引擎設計在支援的推進劑下會自動採用 CEA 結果（見 ROCKET_DESIGN_README.md）

2. Cantera

項目 說明
用途 化學動力學、熱力學、輸運性質；平衡或給定組成下的 T、P、γ、R、cp、分子量等
安裝 pip install cantera（Cantera 3.x 需 Python 3.10+；若為舊版 Python 可改裝 cantera<3）
橋接 cantera_bridge.py

API 摘要

  • is_cantera_available()：是否可用

  • get_solution(mechanism)：載入 YAML/.cti 機制（如 gri30.yaml）

  • get_state_at_tp(mechanism, T_K, P_Pa, X=None)：給定 T、P（及可選摩爾分率）回傳熱力狀態

  • get_equilibrium_at_hp(mechanism, H_J_kg, P_Pa, X_init=None)：給定 H、P 之平衡狀態

  • get_properties_for_engine(mechanism, T_c_K, P_c_Pa, X=None)：回傳 gamma, R_gas, T_K 等字典供引擎／熱力模組使用

  • 參考： Cantera

3. OpenFOAM

項目 說明
用途 開放源碼 CFD（不可壓／可壓、湍流等）
安裝 從 openfoam.org 或 openfoam.com 安裝，並在 shell 中 source 環境
橋接 openfoam_bridge.py

使用方式

  • 確認 OpenFOAM 在 PATH：執行前需在終端 source 安裝目錄的 etc/bashrc（或等價），使 blockMesh、simpleFoam 等可用。
  • is_openfoam_available()：檢查 blockMesh 是否存在。
  • run_openfoam_command(cmd, cwd, env, timeout)：在指定目錄執行指令（如 ["blockMesh"]）。
  • run_case_steps(case_dir, steps, env, timeout_per_step)：依序執行步驟，例如 ["blockMesh", "simpleFoam"]。
  • write_blockmesh_dict(path, ...)：寫入簡化 blockMeshDict（長方體），供測試或替代手寫。

本橋接不包含完整案例檔；實際案例需自行準備 system/, constant/, 0/ 等目錄與設定。

4. SU2

項目 說明
用途 開放源碼 CFD（歐拉／NS、可壓流、優化）
安裝 從 SU2 下載並編譯；可選 Python wrapper（需 SWIG、--enable-PY_WRAPPER）
橋接 su2_bridge.py

使用方式

  • 設定環境變數 SU2_RUN 指向 SU2 可執行檔所在目錄（或將 SU2 加入 PATH）。
  • is_su2_available()：檢查是否找到 SU2_CFD。
  • find_su2_cfd()：回傳 SU2_CFD 可執行檔或 SU2_CFD.py 指令。
  • run_su2_cfd(config_path, cwd, n_cores, extra_args, timeout, env)：執行給定 .cfg 的計算。
  • write_minimal_config(path, mesh_file, mach, aoa, output_dir)：寫入最小設定檔範本。

網格檔（如 mesh.su2）需自行產生或由其他前處理輸出。

5. Abaqus

項目 說明
用途 商業 FEA（結構、熱、接觸等）
安裝 安裝 SIMULIA Abaqus，並將指令（如 abaqus 或 abq20xx）加入 PATH，或設定 SIMULIA_PATH / ABAQUS_HOME
橋接 abaqus_bridge.py

使用方式

  • is_abaqus_available()：檢查 Abaqus 指令是否可用。
  • run_abaqus_job(inp_path, job_name, abaqus_cmd, cwd, ask_delete, timeout, env)：提交 .inp 作業（job=... input=...）。
  • run_abaqus_cae_script(script_path, no_gui, ...)：執行 Abaqus CAE 腳本（abaqus cae script=... -noGUI）。
  • write_minimal_inp(path, title, node_list, element_list)：寫入最小 .inp 範本（僅供橋接測試）。

實際分析請以 Abaqus CAE 或完整關鍵字產生正確的 .inp。

6. CalculiX

項目 說明
用途 開放源碼 FEA（Abaqus 相容 .inp 關鍵字）
安裝 從 CalculiX 或套件管理安裝，將 ccx 加入 PATH 或設定 CALCULIX_HOME
橋接 calculix_bridge.py
  • is_calculix_available()、find_ccx()、run_ccx(jobname, cwd, ...)（jobname 不含 .inp）、write_minimal_inp()、get_run_summary()。

7. GMAT (General Mission Analysis Tool)

項目 說明
用途 NASA 任務分析與軌道設計
安裝 從 GMAT 安裝，將 GMATConsole 或 GMAT 加入 PATH 或 GMAT_HOME
橋接 gmat_bridge.py
  • run_gmat_script(script_path, run_and_exit=True, use_console=True, ...)、write_minimal_script()、get_run_summary()。

8. OpenRocket

項目 說明
用途 開放源碼火箭設計與飛行模擬（.ork 設計檔）
安裝 安裝 Java 與 OpenRocket，設定 OPENROCKET_HOME 或 PATH
橋接 openrocket_bridge.py
  • run_openrocket(open_file=None, ...) 啟動 JAR 並可開啟 .ork；程式化模擬可搭配 orhelper（JPype + OpenRocket 15.03）。

9. Optuna

項目 說明
用途 超參數最佳化，可與 PyTorch、TensorFlow、本專案 MDO 搭配
安裝 pip install optuna
橋接 optuna_bridge.py
  • is_optuna_available()、create_study(objective, study_name, n_trials, sampler, ...)、suggest_params(trial, names, low, high)。

10. Dakota

項目 說明
用途 Sandia 優化與不確定度量化（變數、介面、回應、方法）
安裝 從 Dakota 安裝，將 dakota 加入 PATH 或 DAKOTA_HOME
橋接 dakota_bridge.py
  • run_dakota(input_path, output_path, error_path, ...)、write_minimal_input()。

11. SALib

項目 說明
用途 敏感度分析（Sobol、Morris、FAST 等）
安裝 pip install SALib
橋接 salib_bridge.py
  • define_problem()、sobol_sampling()、sobol_analyze()、run_sobol(problem, model_func, N, ...)。

12. MATLAB / Simulink

項目 說明
用途 數值計算與 Simulink 仿真；從 Python 呼叫 MATLAB
安裝 安裝 MATLAB，並 pip install matlabengine（需對應 MATLAB 版本）
橋接 matlab_bridge.py
  • is_matlab_engine_available()、start_engine()、run_script(script_path, engine)；或 run_matlab_batch(script_path) 以 subprocess 執行 matlab -batch。

13. Python Control

項目 說明
用途 控制系統分析與設計（傳遞函數、Bode、狀態空間）
安裝 pip install control
橋接 control_bridge.py
  • is_control_available()、tf(num, den)、ss(A,B,C,D)、bode_plot(sys)。

14. PyTorch / TensorFlow 與 Cantera 耦合

項目 說明
用途 以 Cantera 產生的熱力資料訓練 ROM／代理模型，供 MDO 或 UQ 快速評估
安裝 pip install cantera + pip install torch 或 tensorflow
說明 見 ml_cantera_note.md

Cantera 計算 (P, T, 組成) → (γ, R, cp…) 作為訓練資料；以 PyTorch 或 TensorFlow 建模型後，在優化迴圈中取代直接呼叫 Cantera。

15. NASA Trick

項目 說明
用途 NASA 高保真仿真框架（動力學、即時等）
安裝 從 Trick 編譯，設定 TRICK_HOME
橋接 trick_bridge.py
  • run_trick_sim(run_input, output_dir=None, ...)，run_input 格式如 RUN_<name>/input_<name>.py；可執行檔為 S_main_${TRICK_HOST_CPU}.exe。

16. ANSYS Fluent

項目 說明
用途 商業 CFD；以 TUI 日誌檔批次自動化
安裝 安裝 ANSYS Fluent，將 fluent 加入 PATH 或 FLUENT_BIN
橋接 fluent_bridge.py
  • write_journal(path, case_file, data_file, n_iters) 寫入 TUI 日誌；run_fluent_batch(journal_path, dimension='3d', ...) 執行 fluent 3d -g -i journal.jou。

17. STK (Systems Tool Kit)

項目 說明
用途 AGI 軌道／任務分析與可視化；Connect 指令或 COM API 自動化
安裝 安裝 STK，設定 AGI_STK_HOME 或 PATH
橋接 stk_bridge.py
  • write_connect_script(path, commands)、run_stk_with_script(script_path)；完整自動化請參照 STK 文件（Connect、Object Model、Containerize STK）。

依賴總覽

工具 安裝方式 是否必須
RocketCEA pip install rocketcea 否（未安裝則用內建公式）
Cantera pip install cantera 否
OpenFOAM 官網安裝 + source 環境 否
SU2 編譯 + 設定 SU2_RUN/PATH 否
Abaqus 商業安裝 + PATH 否
CalculiX 安裝 + PATH / CALCULIX_HOME 否
GMAT 安裝 + PATH / GMAT_HOME 否
OpenRocket Java + JAR，OPENROCKET_HOME 否
Optuna pip install optuna 否
Dakota 安裝 + PATH / DAKOTA_HOME 否
SALib pip install SALib 否
MATLAB 安裝 MATLAB + matlabengine 否
Python Control pip install control 否
PyTorch/TensorFlow pip install torch 或 tensorflow 否（與 Cantera 耦合用）
NASA Trick 編譯 + TRICK_HOME 否
ANSYS Fluent 商業安裝 + PATH 否
STK 商業安裝 + AGI_STK_HOME 否

所有橋接在對應工具未安裝或不可用時，會安全回傳或拋出明確錯誤，不影響其餘程式流程。