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Cantera：均质着火计算

何时使用

用于封闭、绝热、均质的理想气体反应器，且已知动力学机理、初始温度、压力和摩尔组成。随附的辅助脚本可运行定容和定压两种工况，并报告一个精确定义的基于温度的延迟时间。它不是火焰求解器，也不是通用反应器网络构建工具。

计算成功完成只能证明数值执行成功，并不能证明机理对燃料、压力、温度、稀释剂或实测着火观测量有效。在选择机理、比较实验或解释未解析/两阶段着火时，请阅读 references/interpretation.md。

工作流

1. 确定机理及其已验证的工况范围。保留其来源、版本、引用信息以及任何修改。检查其相为 ideal-gas，并确认每种反应物、稀释剂和跟踪组分均存在。对于带导入的自定义 YAML，除生成的相快照外，还要保留原始依赖文件。自定义 Python 速率扩展还需要保留其原始代码和运行环境以便复现。
2. 根据物理实验选择定容或定压。显式提供 K、Pa、秒和摩尔量。mole_amounts 会被归一化为摩尔分数；它不是质量分数映射。报告包含归一化后的初始组成。
3. 复制 assets/hydrogen-ignition.json 并修改其工况。随附的 H2/O2/Ar 案例使用 Cantera 自带的 h2o2.yaml 作为可执行的数值示例；它并不是对每个氢实验的建议。
4. 设置足够长的时间范围，以观察温度上升和加热速率峰值下降。选择足够精细的输出间隔以定位该峰值。设置最小温升，以区分着火与可忽略的加热或数值噪声。
5. 运行辅助脚本并检查全部四个历史记录和报告。如果延迟时间发生显著变化、最大值接近时间边界或守恒失败，则再次细化。将温度和跟踪组分历史与实际的着火定义进行比较。
6. 报告工况集、机理哈希、反应器约束、延迟时间定义、输出间隔、数值更改和科学限制，以及延迟时间。

执行已测试示例

从集合根目录：

uv run --no-project --python 3.12 --with cantera==3.2.0 --with numpy==2.5.3 \
  python skills/cantera/scripts/ignition_delay.py \
  skills/cantera/assets/hydrogen-ignition.json hydrogen-result

已在 Python 3.12、Cantera 3.2.0 和 NumPy 2.5.3 上测试。无需外部求解器可执行文件或凭据。本地相对机理路径在 Cantera 内置数据搜索之前，会先相对于配置文件目录进行解析。每次运行使用新的输出目录。

1000 K、101325 Pa、H2:O2:Ar = 2:1:7 的定容示例使用所述 max(dT/dt) 定义，结果约为 0.313 ms。在 3 ms 时，其温度约为 2920.67 K，并与单独的 UV 平衡计算一致。这些是软件包回归值，不是实验验证数据。

精确延迟与细化契约

延迟是在均匀输出网格上 numpy.gradient(T, time, edge_order=2) 全局最大值对应的时间。仅当最大温升达到 minimum_temperature_rise_k，且最大值距离每个边界至少两个采样索引时，才会报告该延迟。否则 delay_s 为 null，并由状态说明原因。不会外推超出模拟时间范围的延迟。

该辅助函数明确使用 Cantera 3.2 的 clone=True，并从 reactor.phase 读取演化中的属性。原始 Solution 保留初始状态；不要将其读取为反应器的最终状态。ReactorNet.advance(t) 请求的是绝对时间，且未配置推进限制，因此输出网格保持均匀。

它运行四个相互独立的全新反应器：

运行	相对配置条件的变化
baseline	原始设置
finer_output	输出间距减半，时间范围和求解器控制相同
tighter_solver	两个求解器容差均除以十；最大内部时间步长减半
longer_horizon	时间范围加倍，输出间距保持原始值

numerically_resolved 要求所有运行都产生延迟、相对延迟变化在 delay_relative_tolerance 之内，并且所有守恒检查均通过。在离散网格上的一致并不等同于统计误差棒：还需报告输出间距。基线采样数必须在 11 到 50000 之间，为细化留出空间。运行时间随机理规模、刚性和所选时间范围而增长；积分失败会保留 Cantera 的错误文本。

输出与检查

• report.json：所有输入设置、包版本、配置与机理哈希、归一化起始组成、四个延迟估计、数值变化、守恒以及机理热力学温度边界。
• baseline.csv、finer_output.csv、tighter_solver.csv、longer_horizon.csv：时间、温度、压力、体积、质量、总内能、总焓以及所请求的组分摩尔分数。
• mechanism.yaml：由 Cantera 写入的已加载相、组分和反应的快照。该辅助函数请求 write_yaml(precision=17)，并保存其计算哈希时所用的精确 UTF-8 字节，不进行平台换行符转换。报告还会对定位到的原始机理文件计算哈希。导入的源依赖不会单独计算哈希；快照捕获的是已加载的模型。其生成的头部包含日期，因此快照哈希标识的是已保存的产物，在其他方面相同的重跑之间无需匹配。

封闭反应器守恒质量和元素质量分数。定容情形检查总内能；定压情形检查总焓。能量误差除以 max(abs(initial_energy_J), 1 J)。诊断容差为：质量相对漂移 <1e-8、元素绝对漂移 <1e-8、能量缩放漂移 <1e-6、组分质量分数求和误差 <1e-8，以及组分质量分数 >-1e-10。这些检查用于揭示数值问题，并不衡量动力学模型的不确定性。

单独检查 within_thermo_temperature_range：它检查已保存的输出状态，而非每一个内部积分状态。数值分辨率并不意味着组分热力学拟合始终处于其温度边界内。该辅助函数无法根据这些边界评估压力相关的动力学有效性。

范围与上游参考

该套件涵盖两类反应器约束、守恒、与独立 Cantera 平衡的最终状态一致性、不点火条件、未解析边界最大值、细化、快照回放，以及无效组分/条件。它不验证激波管热损失、真实气体效应、表面、流动装置、火焰或多级实验点火定义。仅在有必要的物理模型及其自身检查时构建这些模型；不要将此辅助工具的结果重新标记为其中之一。

• 反应器模型方程
• Python 反应器 API
• 热力学性质与平衡
• 相序列化 API
• 自定义扩展注册
• Cantera 3.2 发行说明
• 上游点火示例 使用组分质量分数峰值；其延迟定义与此辅助工具的 dT/dt 峰值不同。