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67b855d7ec
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## 1. 模型定位
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`gas_cylinder.py` 实现的是高压气瓶的 0D 集总参数模型 `HighPressureGasCylinder`。模型只描述气瓶内部平均热力状态，不解析气瓶内的轴向、径向或局部流场分布。
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主要假设：
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- 气瓶有效容积 `V` 固定。
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- 气瓶内工质均匀，使用单一平均密度和单一平均比内能描述。
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- 独立守恒状态只有总质量 `mass` 和总内能 `U`。
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- 压力、温度和比焓通过 CoolProp 由当前守恒状态恢复。
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- 模型不自行计算边界流量；外部模型给出质量流率和能量流率后，气瓶只更新守恒量。
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对应代码：`src/cylinder/gas_cylinder.py:20-142`
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## 2. 参数与状态
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默认参数定义在 `src/cylinder/gas_cylinder.py:14-17`：
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| 参数 | 默认值 | 含义 |
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| --- | ---: | --- |
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| `DEFAULT_FLUID` | `Helium` | CoolProp 工质名称 |
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| `DEFAULT_P_INIT` | `18.031e6 Pa` | 初始绝对压力 |
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| `DEFAULT_VOLUME` | `20e-3 m^3` | 气瓶容积，20 L |
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| `DEFAULT_T_INIT` | `78.0 K` | 初始温度 |
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构造函数输入为：
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$$
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\left(\mathrm{fluid},\ P_0,\ V,\ T_0,\ \mathrm{backend}\right)
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$$
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其中 `backend` 默认是 `HEOS`。构造函数会检查：
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$$
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\mathrm{fluid}\ne\varnothing,\quad P_0>0,\quad V>0,\quad T_0>0
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$$
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气瓶模型的独立状态向量为：
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$$
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\mathbf{y}_{\mathrm{cyl}}=\left[m_{\mathrm{cyl}},\ U_{\mathrm{cyl}}\right]
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$$
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其中：
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- `mass` 对应 $m_{\mathrm{cyl}}$，单位 kg。
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- `U` 对应 $U_{\mathrm{cyl}}$，单位 J。
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- 压力 `P`、温度 `T`、密度 `rho`、比内能 `specific_internal_energy` 和比焓 `h` 都是由这两个守恒量派生出来的量。
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## 3. 初始状态计算
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初始化发生在 `src/cylinder/gas_cylinder.py:51-56`。计算流程如下。
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第一步，建立 CoolProp 状态对象：
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```python
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self._state = AbstractState(backend, fluid)
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```
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第二步，用初始压力和初始温度更新热力状态：
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```python
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self._state.update(CP.PT_INPUTS, P_init, T_init)
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```
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对应数学表达为：
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$$
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\mathrm{state}_0=\mathrm{CoolProp}\left(P_0,T_0,\mathrm{fluid},\mathrm{backend}\right)
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$$
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第三步，从 CoolProp 读取初始密度：
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$$
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\rho_0=\rho\left(P_0,T_0\right)
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$$
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代码中对应：
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```python
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rho = self._state.rhomass()
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```
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第四步，由固定容积计算气瓶初始总质量：
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$$
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m_{\mathrm{cyl},0}=\rho_0 V
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$$
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代码中对应：
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```python
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self.mass = rho * V
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```
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第五步，从 CoolProp 读取初始比内能，并计算总内能：
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$$
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U_{\mathrm{cyl},0}=m_{\mathrm{cyl},0}u_0
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$$
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||||
其中：
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$$
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||||
u_0=u\left(P_0,T_0\right)
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$$
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代码中对应：
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```python
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self.U = self.mass * self._state.umass()
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```
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因此，模型初始化后不再单独保存初始压力和初始温度；后续压力和温度都通过当前 `mass`、`U` 和 `V` 重新计算。
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## 4. 状态恢复计算
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运行过程中，模型每次需要热力性质时都会调用 `_update_state()`，代码位置为 `src/cylinder/gas_cylinder.py:58-62`。
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### 4.1 密度
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气瓶体积固定，因此当前平均密度为：
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$$
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\rho_{\mathrm{cyl}}=\frac{m_{\mathrm{cyl}}}{V}
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$$
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代码位置：`src/cylinder/gas_cylinder.py:64-67`
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### 4.2 比内能
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当前比内能由总内能除以总质量得到：
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$$
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u_{\mathrm{cyl}}=\frac{U_{\mathrm{cyl}}}{m_{\mathrm{cyl}}}
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$$
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代码位置：`src/cylinder/gas_cylinder.py:69-72`
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这一步要求 `mass > 0`。`apply_flux()` 在每次通量更新后会检查质量不能为非正值。
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### 4.3 CoolProp 输入对
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模型用质量密度和质量比内能作为 CoolProp 输入对：
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```python
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self._state.update(CP.DmassUmass_INPUTS, rho, u)
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```
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||||
对应数学表达为：
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||||
$$
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||||
\mathrm{state}=\mathrm{CoolProp}\left(\rho_{\mathrm{cyl}},u_{\mathrm{cyl}}\right)
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||||
$$
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||||
这里的关键点是：`P` 和 `T` 不是独立积分变量，而是 CoolProp 根据 $(\rho,u)$ 反算出来的热力结果。
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### 4.4 压力、温度和比焓
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状态恢复后，模型提供三个主要派生量：
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$$
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\begin{aligned}
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||||
P_{\mathrm{cyl}} &= P\left(\rho_{\mathrm{cyl}},u_{\mathrm{cyl}}\right) \\
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||||
T_{\mathrm{cyl}} &= T\left(\rho_{\mathrm{cyl}},u_{\mathrm{cyl}}\right) \\
|
||||
h_{\mathrm{cyl}} &= h\left(\rho_{\mathrm{cyl}},u_{\mathrm{cyl}}\right)
|
||||
\end{aligned}
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$$
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对应代码：
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- `P`：`src/cylinder/gas_cylinder.py:74-77`
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- `T`：`src/cylinder/gas_cylinder.py:79-82`
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||||
- `h`：`src/cylinder/gas_cylinder.py:84-87`
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当前模型只保留上述三个热力派生量，不再保留额外的热物性辅助输出。
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## 5. 边界 ghost state 计算
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`ghost_state()` 用于给一维守恒流动模型提供气瓶侧边界状态，代码位置为 `src/cylinder/gas_cylinder.py:89-97`。
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返回向量为：
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$$
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||||
\mathbf{q}_{\mathrm{ghost}}=
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||||
\left[
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\rho_{\mathrm{cyl}},\
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0,\
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||||
\rho_{\mathrm{cyl}}u_{\mathrm{cyl}}
|
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\right]^T
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||||
$$
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三个分量分别是：
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| 分量 | 代码表达 | 物理意义 |
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| --- | --- | --- |
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| $q_1$ | `self.rho` | 质量密度 |
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| $q_2$ | `0.0` | 动量密度 |
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| $q_3$ | `self.rho * self.specific_internal_energy` | 总能量密度 |
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由于气瓶是 0D 静止控制体，边界 ghost state 的速度取 0，所以动量密度为 0。总能量密度中也没有宏观动能项：
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$$
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\rho E = \rho u + \frac{1}{2}\rho v^2 = \rho u \quad \left(v=0\right)
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$$
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注意：这个 ghost state 使用的是真实流体内能。如果下游管路求解器使用理想气体状态方程，耦合前需要确认状态方程和能量定义是否一致。
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## 6. 边界通量更新计算
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`apply_flux(mdot, edot, dt, sign)` 根据外部边界通量更新气瓶守恒量，代码位置为 `src/cylinder/gas_cylinder.py:99-128`。
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输入量含义：
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| 参数 | 单位 | 含义 |
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| --- | --- | --- |
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| `mdot` | kg/s | 边界质量流率 |
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| `edot` | W | 边界能量流率 |
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| `dt` | s | 时间步长 |
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| `sign` | - | 通量方向符号 |
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方向符号定义为：
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$$
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||||
s=
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\begin{cases}
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-1, & \text{气体从气瓶流出} \\
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||||
+1, & \text{气体流入气瓶}
|
||||
\end{cases}
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||||
$$
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||||
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||||
离散更新方程为：
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$$
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||||
\begin{aligned}
|
||||
m_{\mathrm{cyl}}^{n+1} &= m_{\mathrm{cyl}}^{n}+s\dot{m}\Delta t \\
|
||||
U_{\mathrm{cyl}}^{n+1} &= U_{\mathrm{cyl}}^{n}+s\dot{E}\Delta t
|
||||
\end{aligned}
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$$
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||||
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||||
代码中对应：
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```python
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||||
self.mass += sign * mdot * dt
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||||
self.U += sign * edot * dt
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```
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连续形式为：
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$$
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||||
\begin{aligned}
|
||||
\frac{dm_{\mathrm{cyl}}}{dt} &= s\dot{m} \\
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||||
\frac{dU_{\mathrm{cyl}}}{dt} &= s\dot{E}
|
||||
\end{aligned}
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$$
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||||
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||||
如果外部模型使用边界比焓计算能量流率，常见形式为：
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$$
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\dot{E}=\dot{m}h_{\mathrm{boundary}}
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$$
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但气瓶模型本身不强制 `edot = mdot * h`，只接收外部传入的能量流率。这使它可以用于不同边界模型，但也要求调用方保证质量通量和能量通量的物理一致性。
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### 6.1 数值保护
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通量更新前后包含三类保护：
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$$
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\Delta t\ge0,\quad s\in\{-1,+1\},\quad m_{\mathrm{cyl}}^{n+1}>0
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$$
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||||
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对应行为：
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- `dt < 0` 时抛出 `ValueError`。
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- `sign` 不是 `-1` 或 `+1` 时抛出 `ValueError`。
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- 更新后 `mass <= 0` 时抛出 `RuntimeError`。
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||||
- 更新完成后立即调用 `_update_state()`，让 CoolProp 立刻检查新的 $(\rho,u)$ 是否处于有效热力状态。
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## 7. 状态汇总
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||||
`state_summary()` 返回当前气瓶状态字典，代码位置为 `src/cylinder/gas_cylinder.py:130-142`。
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返回字段为：
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| 字段 | 含义 |
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| --- | --- |
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| `fluid` | 工质名称 |
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| `V` | 气瓶固定容积 |
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| `mass` | 当前总质量 |
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| `rho` | 当前平均密度 |
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| `P` | 当前绝对压力 |
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| `T` | 当前温度 |
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| `U` | 当前总内能 |
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| `u` | 当前比内能 |
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| `h` | 当前比焓 |
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该函数主要用于后处理、日志输出或快速检查模型状态。
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## 8. 耦合使用简述
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在低温贮箱和气瓶耦合示例中，气瓶状态通常作为整体 ODE 状态向量的一部分：
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$$
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||||
\mathbf{y}=\left[m_{\mathrm{liq}},\ U_{\mathrm{liq}},\ T_{\mathrm{ull}},\ m_{\mathrm{cyl}},\ U_{\mathrm{cyl}}\right]
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$$
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||||
|
||||
气瓶向贮箱供气时，可写为：
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$$
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||||
\frac{dm_{\mathrm{cyl}}}{dt}=-\dot{m}_{\mathrm{to\ tank}},\quad
|
||||
\frac{dU_{\mathrm{cyl}}}{dt}=-\dot{E}_{\mathrm{to\ tank}}
|
||||
$$
|
||||
|
||||
并可用气瓶压力相对贮箱工作压力的差值作为终止条件：
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$$
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||||
g(t,\mathbf{y})=P_{\mathrm{cyl}}-P_{\mathrm{work}}
|
||||
$$
|
||||
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||||
示例代码位置：`examples/cryo_tank_cylinder_system.py`
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## 9. 运行和测试
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||||
气瓶模型可直接导入使用：
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||||
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||||
```python
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||||
from cylinder import HighPressureGasCylinder
|
||||
|
||||
cylinder = HighPressureGasCylinder()
|
||||
summary = cylinder.state_summary()
|
||||
```
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||||
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||||
相关测试覆盖默认状态、可配置输入、状态汇总字段、ghost state、出流通量更新和非法输入校验。测试命令：
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||||
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||||
```bash
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||||
pytest -q tests/test_gas_cylinder.py
|
||||
```
|
||||
@@ -2,8 +2,8 @@
|
||||
High-pressure gas cylinder model with configurable working fluid.
|
||||
|
||||
The cylinder is a 0D lumped model. Its primary state is total mass and
|
||||
total internal energy; pressure, temperature, density, enthalpy, and other
|
||||
thermodynamic quantities are recovered from CoolProp on demand.
|
||||
total internal energy; pressure, temperature, density, and enthalpy are
|
||||
recovered from CoolProp on demand.
|
||||
"""
|
||||
|
||||
import numpy as np
|
||||
@@ -86,32 +86,6 @@ class HighPressureGasCylinder:
|
||||
"""Specific enthalpy [J/kg]."""
|
||||
return self._update_state().hmass()
|
||||
|
||||
@property
|
||||
def cp(self):
|
||||
"""Specific heat at constant pressure [J/(kg K)]."""
|
||||
return self._update_state().cpmass()
|
||||
|
||||
@property
|
||||
def cv(self):
|
||||
"""Specific heat at constant volume [J/(kg K)]."""
|
||||
return self._update_state().cvmass()
|
||||
|
||||
@property
|
||||
def gamma(self):
|
||||
"""Local heat capacity ratio cp/cv [-]."""
|
||||
return self.cp / self.cv
|
||||
|
||||
@property
|
||||
def R_specific(self):
|
||||
"""Specific gas constant [J/(kg K)]."""
|
||||
state = self._update_state()
|
||||
return state.gas_constant() / state.molar_mass()
|
||||
|
||||
@property
|
||||
def compressibility_factor(self):
|
||||
"""Compressibility factor Z = P/(rho R T) [-]."""
|
||||
return self.P / (self.rho * self.R_specific * self.T)
|
||||
|
||||
def ghost_state(self):
|
||||
"""Return a stagnant conservative state ``[rho, rho*u, rho*E]``.
|
||||
|
||||
@@ -165,7 +139,4 @@ class HighPressureGasCylinder:
|
||||
"U": self.U,
|
||||
"u": self.specific_internal_energy,
|
||||
"h": self.h,
|
||||
"gamma": self.gamma,
|
||||
"R_specific": self.R_specific,
|
||||
"Z": self.compressibility_factor,
|
||||
}
|
||||
@@ -1,4 +1,3 @@
|
||||
import numpy as np
|
||||
import pytest
|
||||
|
||||
from cylinder.gas_cylinder import (
|
||||
@@ -19,8 +18,6 @@ def test_default_high_pressure_cylinder_state_matches_inputs():
|
||||
assert abs(cylinder.T - DEFAULT_T_INIT) < 1e-8
|
||||
assert cylinder.mass > 0
|
||||
assert cylinder.U > 0
|
||||
assert cylinder.gamma > 1.0
|
||||
assert cylinder.compressibility_factor > 0.0
|
||||
|
||||
|
||||
def test_cylinder_accepts_configurable_fluid_pressure_volume_temperature():
|
||||
@@ -38,6 +35,23 @@ def test_cylinder_accepts_configurable_fluid_pressure_volume_temperature():
|
||||
assert cylinder.mass > 0
|
||||
|
||||
|
||||
def test_cylinder_state_summary_omits_unused_thermodynamic_helpers():
|
||||
cylinder = HighPressureGasCylinder()
|
||||
summary = cylinder.state_summary()
|
||||
|
||||
assert set(summary) == {
|
||||
"fluid",
|
||||
"V",
|
||||
"mass",
|
||||
"rho",
|
||||
"P",
|
||||
"T",
|
||||
"U",
|
||||
"u",
|
||||
"h",
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
def test_cylinder_ghost_state_is_stagnant_conservative_vector():
|
||||
cylinder = HighPressureGasCylinder()
|
||||
ghost = cylinder.ghost_state()
|
||||
|
||||
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