pyballistics 1.1.2

Description:

pyballistics 1.1.2

PyBallistics
Python-библиотека для решения ОЗВБ в термодинамической и газодинамической постановках.
Установка
Установить библиотеку можно через менеджер пакетов pip. Для этого достаточно выполнить в консоли команду
pip install --upgrade pyballistics

Краткая инструкция по использованию
Пример расчета ОЗВБ в термодинамической постановке задачи AGARD:
from pyballistics import ozvb_termo, get_options_agard

opts = get_options_agard() # получить словарь с начальными данными задачи AGARD
result = ozvb_termo(opts) # произвести расчет и получить результат

Переменная result является словарем, в котором находятся результаты расчета.
Для визуализации части результатов можно воспользоваться следующим кодом:
import matplotlib.pyplot as plt # если нет библиотеки matplotlib, то установить ее можно при помощи команды pip install matplotlib

plt.plot(result['t'], result['p_m']) # среднебаллистическое давление от времени
plt.grid() # сетка на графике
plt.show() # показать график

В результате будет получен следующий график зависимости среднебаллистического давления (Па) от времени (с):

В словаре result есть все необходимые данные для дальнейшего анализа:
import numpy as np

# максимальное давление
print(np.max(result['p_m']))
>>> 319103989.57

# дульная скорость
print(result['v_p'][-1])
>>> 671.16

# доля сгоревшего пороха
print(result['psi_1'][-1])
>>> 0.932

Более подробная инструкция
За сами расчеты ОЗВБ отвечают две функции: ozvb_termo и ozvb_lagrange. Они могут быть импортированы непосредственно из библиотеки:
from pyballistics import ozvb_termo, ozvb_lagrange

Функция ozvb_termo производит термодинамический расчет, а ozvb_lagrange - газодинамический в Лагранжевых координатах.
Обе эти функции на вход принимают словари, в которых хранятся все необходимые для расчета начальные данные. Примеры таких словарей можно получить из функций get_options_agard и get_options_sample:
from pyballistics import get_options_agard, get_options_sample

opts1 = get_options_agard()
opts2 = get_options_sample()

print(opts2)
# {
# 'powders': [
# {'omega': 7, 'dbname': 'ДГ-4 15/1'},
# {'omega': 6, 'dbname': '22/7'}],
# 'init_conditions': {
# 'q': 51.76,
# 'd': 0.122,
# 'W_0': 0.0325,
# 'phi_1': 1.02,
# 'p_0': 30000000.0 },
# 'igniter': {
# 'p_ign_0': 1000000.0},
# 'meta_termo': {
# 'dt': 5e-06,
# 'method': 'rk2'},
# 'meta_lagrange': {
# 'CFL': 0.9,
# 'n_cells': 150},
# 'stop_conditions': {
# 'v_p': 690,
# 'p_max': 600000000.0,
# 'x_p': 9}
# }

Словарь со входными данными является иерархической структурой данных (словарь словарей, списков и т.д.). Для указания всех данных, однозначно описывающих задачу ОЗВБ, словарь должен быть довольно громоздким и неудобным для формирования. Для упрощения формирования словаря многие входящие в него элементы имеют значения по умолчанию и их, в случае необходимости, можно не указывать. Однако есть ряд элементов и значений, которые указывать обязательно.
Словарь со входными данными состоит из следующих элементов "верхнего уровня":


'init_conditions' - обязательный раздел. В данном разделе хранится словарь с начальными данными:

'q' - масса снаряда в кг.
'd' - калибр, м.
'W_0' - начальный объем каморы, м^3.
'phi_1' - коэффициент, учитывающий силу трения в нарезах (участвует в формуле расчета коэффициента фиктивности массы снаряда).
'p_0' - давление форсирования, Па.
'T_0'(опционально) - начальная температура, К (значение по умолчанию 293.15 К).
'n_S'(опционально) - коэффициент учета площади нарезов (*значение по умолчанию 1). Площадь поперечного сечения высчитывается по формуле S = n_S pi d^2 / 4 .



'powders' - обязательный раздел. В данном разделе хранится список с данными по пороховым навескам, из которых состоит метательный заряд. Обязательно должен иметь хотя бы один элемент. Каждый элемент списка отвечает за свою навеску и тоже является словарем со следующими элементами:

'omega' - масса навески заряда, кг.
'dbname'(опционально) - имя пороха в БД. Если указать, то для остальных элементов будут определены значения по умолчанию. Если не указать, то все остальные элементы будет необходимо инициализировать (список доступных имен можно получить из функции get_powder_names). Т.е. при желании можно корректировать часть характеристик табличных порохов и брать у них остальные значения стандартными.
'I_e'(опционально, если указан 'dbname') - импульс конца горения, Па с.
'nu' (опционально, если указан 'dbname') - показатель в степенном законе горения (по умолчанию 1).
'b'(опционально, если указан 'dbname') - коволюм пороховых газов, м^3/кг.
'delta'(опционально, если указан 'dbname') - плотность пороха, кг/м^3.
'f'(опционально, если указан 'dbname') - сила пороха, Дж/кг.
'k'(опционально, если указан 'dbname') - коэффициент адиабаты пороховых газов.
'T_p'(опционально, если указан 'dbname') - темп. горения пороха, К.
'z_e'(опционально, если указан 'dbname') - относительная толщина сгоревшего слоя конца горения.
'kappa_1'(опционально, если указан 'dbname') - коэффициент в геометрическом законе горения.
'lambda_1'(опционально, если указан 'dbname') - коэффициент в геометрическом законе горения.
'mu_1'(опционально, если указан 'dbname') - коэффициент в геометрическом законе горения.
'kappa_2'(опционально, если указан 'dbname') - коэффициент в геометрическом законе горения.
'lambda_2'(опционально, если указан 'dbname') - коэффициент в геометрическом законе горения.
'mu_2'(опционально, если указан 'dbname') - коэффициент в геометрическом законе горения.
'k_I'(опционально, если указан 'dbname') - коэффициент для пересчета импульса конца горения для других начальных температур, 1/K.
'k_f'(опционально, если указан 'dbname') - коэффициент для пересчета силы пороха для других начальных температур, 1/K.



'igniter' - обязательный раздел. В данном разделе хранится словарь с начальными данными, которые относятся к воспламенителю. Словарь имеет следующие элементы:

'p_ign_0' - давление вспышки, Па.
'k_ign'(опционально) - коэффициент адиабаты газов воспламенителя (значение по умолчанию 1.22).
'T_ign'(опционально) - температура горения воспламенителя, К (значение по умолчанию 2427).
'f_ign'(опционально) - сила воспламенителя, Дж/кг (значение по умолчанию 260 000 Дж/кг).
'b_ign'(опционально) - коволюм газов воспламенителя, м^3/кг (значение по умолчанию 0.0006).



'windage' - опциональный раздел. В данном разделе хранится словарь с начальными данными, которые относятся к силе сопротивления воздуха перед снарядом. Если не указывать этот элемент, то будут использованы значения по умолчанию. Словарь имеет следующие элементы:

'shock_wave'(опционально) - флаг True/False, показывающий нужно ли рассчитывать давление ударной волны по формуле, или использовать просто статичное давление 'p_0a' (значение по умолчанию True).
'p_0a'(опционально) - давление воздуха перед снарядом, Па (значение по умолчанию 100 000).
'k_air'(опционально) - показатель адиабаты воздуха (значение по умолчанию 1.4).
'c_0a'(опционально) - скорость звука в воздухе, м/с (значение по умолчанию 340).



'heat' - опциональный раздел. В данном разделе хранится словарь с начальными данными, которые относятся к теплообмену ГПС со стволом. Если не указывать этот элемент, то будут использованы все значения по умолчанию. Словарь имеет следующие элементы:

'enabled'(опционально) - флаг True/False, показывающий нужно ли учитывать теплообмен со стволом (значение по умолчанию True).
'heat_barrel'(опционально) - флаг True/False, показывающий нужно ли учитывать рассчитвать динамически температуру стенки ствола, или температура стенок ствола не меняется (значение по умолчанию True).
'F_0'(опционально) - начальная площадь теплоотдачи, м^2 (значение по умолчанию 4W_0/d).
'Pr'(опционально) - число Прандля (значение по умолчанию 0.74).
'T_w0'(опционально) - начальная температура стенки, К. Если не указывать - то будет взята начальная температура.
'mu_0'(опционально) - коэффициент динамической вязкости пороховых газов для формулы Сазерленда, Па*с (значение по умолчанию 0.175e-4).
'T_cs'(опционально) - тоже для формулы Сазерленда, К (значение по умолчанию 628).
'T_0s'(опционально) - тоже для формулы Сазерленда, К (значение по умолчанию 273).
'c_b'(опционально) - теплоемкость материала ствола, Дж/(кг * град) (значение по умолчанию 500).
'rho_b'(опционально) - плотность материала ствола, кг/м^3 (значение по умолчанию 7900).
'lambda_b'(опционально) - теплопроводность материала ствола, Вт/(м·град) (значение по умолчанию 40).
'lambda_g'(опционально) - теплопроводность пороховых газов, Вт/(м·К) (значение по умолчанию 0.2218).



'stop_conditions' - обязательный раздел. В данном разделе хранится словарь с начальными данными, которые относятся к условиям конца расчета. Должен иметь хотя бы один элемент (любой из нижеперечисленных). Если указано несколько условий, то расчет будет остановлен из-за условия, которое сработало раньше всего. Словарь имеет следующие элементы:

't_max'(опционально) - с, прервать расчет при t > t_max.
'steps_max'(опционально) - сделать максимум steps_max шагов интегрирования.
'v_p'(опционально) - м/с, прервать расчет, когда скорость снаряда достигнет v_p.
'x_p'(опционально) - м, прервать расчет, когда снаряд пройдет x_p метров (в начальный момент снаряд прошел 0 м).
'p_max'(опционально) - Па, прервать расчет, если давление превысит p_max.



'meta_termo' - обязательный раздел для термодинамического расчета. В данном разделе хранится словарь с начальными данными, которые относятся к мета-параметрам термодинамического расчета. Словарь имеет следующие элементы:

'dt' - с, шаг по времени.
'method'(опционально) - метод интегрирования. Возможные варианты: Эйлер - 'euler'; Рунге-Кутты 2 порядка -'rk2'; - Рунге-Кутты 4 порядка - 'rk4' (значение по умолчанию 'rk2').



'meta_lagrange' - обязательный раздел для газодинамического расчета. В данном разделе хранится словарь с начальными данными, которые относятся к мета-параметрам газодинамического расчета. Словарь имеет следующие элементы:

'n_cells' - количество ячеек сетки.
'CFL' - число Куранта (0 < CFL < 1).
'W'(опционально) - дополнительное требование для повышения устойчивости: последующий шаг по времени не может быть больше текущего в W раз.



Структура результатов термодинамической модели
В зависимости от результатов расчета, словарь может быть двух видов. Если в результате расчета произошла ошибка, то будет сформирован следующий словарь:
{
'stop_reason': 'error', # показывает, что в процессе расчета произошла ошибка
'error_message': '...', # описание ошибки
'exception': Error('...'),# ссылка на саму ошибку (ее можно вызвать при помощи raise для трассировки)
'execution_time': float # время выполнения функции в секундах
}

Пример:
result = ozvb_termo({}) # передаем пустой словарь
print(result)
>>> {
'stop_reason': 'error',
'error_message': 'В словаре opts обязательно должно быть поле "powders", в котором указываются параметры заряда. Пример правильного словаря opts можно получить из функции get_termo_options_sample()',
'exception': ValueError('В словаре opts обязательно должно быть поле "powders", в котором указываются параметры заряда. Пример правильного словаря opts можно получить из функции get_termo_options_sample()'),
'execution_time': 1.7400000047018693e-05
}

Если расчет прошел без ошибок, то словарь с результатами будет следующий:
{
't': np.array([...]), # numpy-массив с точками по времени в секундах, в которых были рассчитаны остальные значения
'p_m': np.array([...]), # numpy-массив со среднебаллистическим давлением в Па
'T': np.array([...]), # numpy-массив с температурой ГПС в Кельвинах
'x_p':np.array([...]), # numpy-массив с положением снаряда в метрах (в начальный момент x_p==0)
'v_p': np.array([...]), # numpy-массив со скоростью снаряда в м/c (в начальный момент v_p==0)
'Q_pa': np.array([...]), # numpy-массив с суммарной энергией в Дж, потраченной на преодоление сил сопротивления атмосферному давлению перед снарядом
'Q_w': np.array([...]), # numpy-массив с суммарной энергией в Дж, отданной ГПС на нагрев ствола
'W_p': np.array([...]), # numpy-массив с заснарядным объемом в м^3
'W_c': np.array([...]), # numpy-массив с объемом в м^3, занятым коволюмом ГПС и конденсированной фазой ГПС
'T_w': np.array([...]), # numpy-массив со средней температурой ствола в К
'k': np.array([...]), # numpy-массив с показателями адиабаты ГПС
'z_1': np.array([...]), # numpy-массив с относительной толщиной сгоревшего свода пороха навески №1
'psi_1': np.array([...]), # numpy-массив с относительной массой сгоревшего пороха навески №1
'z_2': np.array([...]), # numpy-массив с относительной толщиной сгоревшего свода пороха навески №2
'psi_2': np.array([...]), # numpy-массив с относительной массой сгоревшего пороха навески №2
... # и так N раз
'stop_reason': str, # причина остановки расчета ('t_max', 'steps_max', 'v_p', 'x_p', 'p_max')
'execution_time': float # время, потраченное на расчет, в секундах
}

Пример:
opts = get_options_sample()
result = ozvb_termo(opts)
print(result)
>>> {
't': array([0. , 0. , ..., 0.027, 0.027]),
'p_m': array([ 1000000. , 1002189.433, ..., 90680294.893, 90629603.46 ]),
'T': array([2427. , 2427.487, ..., 1824.249, 1823.988]),
'x_p': array([0. , 0. , ..., 6.394, 6.398]),
'v_p': array([ 0. , 0. , ..., 689.994, 690.085]),
'Q_pa': array([ 0. , 0. , ..., 45159.509, 45195.554]),
'Q_w': array([ 0. , 0. , ..., 3447622.549, 3449318.738]),
'W_p': array([0.033, 0.033, ..., 0.107, 0.107]),
'W_c': array([0.008, 0.008, ..., 0.014, 0.014]),
'T_w': array([293.15 , 293.15 , ..., 315.661, 315.661]),
'k': array([1.22 , 1.22 , ..., 1.238, 1.238]),
'z_1': array([0. , 0. , ..., 0.954, 0.954]),
'psi_1':array([0. , 0. , ..., 0.954, 0.954]),
'z_2': array([0. , 0. , ..., 1.343, 1.343]),
'psi_2':array([0. , 0. , ..., 0.987, 0.987]),
'stop_reason': 'v_p',
'execution_time': 0.21484209999971426
}

Структура результатов газодинамической модели
В зависимости от результатов расчета, словарь может быть двух видов. Если в результате расчета произошла ошибка, то будет сформирован следующий словарь:
{
'stop_reason': 'error', # показывает, что в процессе расчета произошла ошибка
'error_message': '...', # описание ошибки
'exception': Error('...'),# ссылка на саму ошибку (ее можно вызвать при помощи raise для трассировки)
'execution_time': float # время выполнения функции в секундах
}

Пример:
result = ozvb_lagrange({}) # передаем пустой словарь
print(result)
>>> {
'stop_reason': 'error',
'error_message': 'В словаре opts обязательно должно быть поле "powders", в котором указываются параметры заряда. Пример правильного словаря opts можно получить из функции get_termo_options_sample()',
'exception': ValueError('В словаре opts обязательно должно быть поле "powders", в котором указываются параметры заряда. Пример правильного словаря opts можно получить из функции get_termo_options_sample()'),
'execution_time': 1.7400000047018693e-05
}

Если расчет прошел без ошибок, то словарь с результатами будет следующий:
{
'stop_reason': str, # причина остановки расчета ('t_max', 'steps_max', 'v_p', 'x_p', 'p_max')
'execution_time': float,# время выполнения расчета в секундах
'layers': [ # список со словарями. В каждом словаре хранятся данные одного временного слоя
{ # Словарь первого временного слоя. Слой состоит из N ячеек
't': 0.0, # время временного слоя в секундах
'step_count': 0, # номер шага по времени
'x': np.array([...]), # numpy-массив координатами по длине узлов сетки в метрах, длина массива N+1
'u': np.array([...]), # numpy-массив со скоростями узлов сетки в м/с, длина массива N+1
'T': np.array([...]), # numpy-массив с температурами ГПС в ячейках в Кельвинах. Длина массива N
'rho': np.array([...]), # numpy-массив с плотностями ГПС в ячейках в кг/м^3. Длина массива N
'p': np.array([...]), # numpy-массив с давлениями ГПС в ячейках в Па. Длина массива N
'T_w':np.array([...]), # numpy-массив с температурами стенок ствола в ячейках в Кельвинах. Длина массива N
'k': np.array([...]), # numpy-массив с показателями адиабаты ГПС в ячейках. Длина массива N
'z_1': np.array([...]), # numpy-массив с относительными толщинами сгоревшего свода пороха навески №1 по ячейкам. Длина массива N
'psi_1': np.array([...]),# numpy-массив с относительными массами сгоревшего пороха навески №1 по ячейкам. Длина массива N
'z_2':np.array([...]), # numpy-массив с относительными толщинами сгоревшего свода пороха навески №2 по ячейкам. Длина массива N
'psi_2': np.array([...]),# numpy-массив с относительными массами сгоревшего пороха навески №2 по ячейкам. Длина массива N
... # и так по всем навескам
},
{...}, # Словарь второго временного слоя. Слой состоит из N ячеек
{...}, # Словарь третьего временного слоя. Слой состоит из N ячеек
..., № и т.д.
] # конец списка 'layers'
}

Пример:
opts = get_options_sample()
result = ozvb_lagrange(opts)
print(result)
>>> {
'stop_reason': 'v_p',
'execution_time': 0.167843300000186,
'layers': [
{
't': 0.0,
'step_count': 0,
'x': array([-2.78 , -2.762, ..., -0.019, 0. ]),
'u': array([0., 0., ..., 0., 0.]),
'T': array([2427., 2427., ..., 2427., 2427.]),
'rho': array([402.851, 402.851, ..., 402.851, 402.851]),
'p': array([1000000., 1000000., ..., 1000000., 1000000.]),
'T_w': array([293.15, 293.15, ..., 293.15, 293.15]),
'k': array([1.22, 1.22, ..., 1.22, 1.22]),
'z_1': array([0., 0., ..., 0., 0.]),
'psi_1': array([0., 0., ..., 0., 0.]),
'z_2': array([0., 0., ..., 0., 0.]),
'psi_2': array([0., 0., ..., 0., 0.])
},
{
't': 0.00026096741712768897,
'step_count': 1,
'x': array([-2.78 , -2.762, ..., -0.019, 0. ]),
'u': array([0., 0., ..., 0., 0.]),
'T': array([2450.216, 2450.216, ..., 2450.216, 2450.216]),
'rho': array([402.851, 402.851, ..., 402.851, 402.851]),
'p': array([1114231.986, 1114231.986, ..., 1114231.986, 1114231.986]),
'T_w': array([293.15, 293.15, ..., 293.15, 293.15]),
'k': array([1.222, 1.222, ..., 1.222, 1.222]),
'z_1': array([0., 0., ..., 0., 0.]),
'psi_1': array([0., 0., ..., 0., 0.]),
'z_2': array([0., 0., ..., 0., 0.]),
'psi_2': array([0., 0., ..., 0., 0.])
},
...
]
}

Дополнительные функции
В библиотеке также есть несколько дополнительных функций, описание к которым есть в их документации:
from pyballistics import get_full_options, get_db_powder, get_powder_names

print(get_full_options.__doc__)
print(get_db_powder.__doc__)
print(get_powder_names.__doc__)