Физреализм v2: скин/близость (Доуэлл), трение+воздух, паспортные импульсные токи ключей

- physics/ac_resistance.py: R_AC обмотки по Доуэллу на частоте импульса 1/sqrt(LC) — для толстого провода во многих слоях потери в разы выше DC - трение о трубку (0.35·m·g) + аэродинамика (0.5·rho·Cd·A·v^2) во всей динамике: CPU ОДУ разряда, подлёт к датчику (с событием остановки), GPU numpy-путь, fused cupy-ядро, аналитический coast GPU-sweep'а - SwitchSpec.pulse_current_a: паспортные ITSM/IDM/ICM из даташитов вместо generic-множителей; отчёт теперь различает превышение продолжительного рейтинга (норма для импульса) и импульсного предела (отбраковка) — фикс вводившего в заблуждение флага switch_current_over_limit - КПД теперь может быть слегка отрицательным (трение съело больше, чем добавила слабая катушка) — это честно - MODEL_VERSION -> gausse-physics-v2 Co-Authored-By: Claude Fable 5 <noreply@anthropic.com>
2026-07-08 00:57:07 +05:00
parent 83a4a7b805
commit d4affa9574
15 changed files with 417 additions and 59 deletions
--- a/tests/test_realism_v2.py
+++ b/tests/test_realism_v2.py
@@ -0,0 +1,147 @@
+"""Физреализм v2: скин/близость (Доуэлл), трение+воздух, импульсные рейтинги ключей."""
+
+import math
+
+import numpy as np
+
+from gausse.components.database import ComponentDatabase
+from gausse.components.schema import (
+    CapacitorSpec,
+    ProjectileMaterialSpec,
+    SensorSpec,
+    SwitchSpec,
+    WireSpec,
+)
+from gausse.physics.ac_resistance import dowell_ac_factor, skin_depth_m
+from gausse.physics.constants import switch_pulse_limit_a
+from gausse.sim.stage import ProjectileConfig, StageConfig, build_stage_physics, run_stage
+
+DB = ComponentDatabase.load()
+
+
+def make_projectile() -> ProjectileConfig:
+    steel = ProjectileMaterialSpec(
+        name="steel", density_kg_m3=7850.0, mu_r=200.0, b_sat_tesla=1.8, price_per_kg=100.0, source="test"
+    )
+    return ProjectileConfig(material=steel, diameter_m=0.008, length_m=0.02)
+
+
+def make_stage() -> StageConfig:
+    wire = WireSpec(
+        part_id="w1", material="copper", gauge_mm=0.8, insulation_od_mm=0.85,
+        resistivity_ohm_m=1.68e-8, max_current_a=10.0, price_per_m=3.0, source="test",
+    )
+    capacitor = CapacitorSpec(
+        part_number="c1", capacitance_uf=100.0, voltage_v=400.0, esr_ohm=0.05, max_current_a=300.0,
+        price=300.0, source="test",
+    )
+    switch = SwitchSpec(
+        part_number="sw1", kind="MOSFET", max_current_a=500.0, max_voltage_v=500.0,
+        on_resistance_ohm=0.02, on_voltage_drop_v=None, turn_on_time_ns=50.0, price=50.0, source="test",
+    )
+    sensor = SensorSpec(part_number="s1", kind="optical", propagation_delay_ns=500.0, price=20.0, source="test")
+    return StageConfig(
+        wire=wire, capacitor=capacitor, switch=switch, sensor=sensor,
+        tube_od_m=0.01, turns_per_layer=20, layers=4,
+        sensor_to_coil_distance_m=0.02, charge_voltage_v=350.0,
+    )
+
+
+# --- Доуэлл ---
+
+
+def test_skin_depth_copper_50hz():
+    # медь на 50 Гц: δ ≈ 9.3 мм (классическое справочное значение)
+    delta = skin_depth_m(1.68e-8, 2 * math.pi * 50)
+    assert abs(delta - 9.2e-3) < 0.5e-3
+
+
+def test_dowell_limits():
+    # низкая частота -> фактор стремится к 1
+    assert dowell_ac_factor(0.001, 0.00108, 8, 1.68e-8, 2 * math.pi * 1.0) < 1.001
+    # больше слоёв -> сильнее эффект близости (монотонность)
+    omega = 2 * math.pi * 2000
+    f = [dowell_ac_factor(0.002, 0.00208, m, 1.68e-8, omega) for m in (1, 4, 10)]
+    assert f[0] < f[1] < f[2]
+    # всегда >= 1
+    assert all(x >= 1.0 for x in f)
+
+
+def test_dowell_series_matches_formula_at_boundary():
+    # непрерывность на стыке ряда и полной формулы (Δ≈0.25)
+    omega_lo, omega_hi = None, None
+    # подберём частоты чуть ниже/выше границы Δ=0.25 для d=1мм
+    d, rho = 0.001, 1.68e-8
+    for omega in np.logspace(2, 6, 4000):
+        delta = skin_depth_m(rho, omega)
+        big = (math.pi / 4) ** 0.75 * d / delta  # porosity~1
+        if big < 0.25:
+            omega_lo = omega
+        elif omega_hi is None:
+            omega_hi = omega
+            break
+    f_lo = dowell_ac_factor(d, d, 6, rho, omega_lo)
+    f_hi = dowell_ac_factor(d, d, 6, rho, omega_hi)
+    assert abs(f_lo - f_hi) < 0.01
+
+
+def test_thick_wire_many_layers_significant_ac_factor():
+    # толстый провод (2мм) в 10 слоёв на кГц — эффект близости должен быть
+    # существенным (>1.3), иначе канал потерь не работает
+    f = dowell_ac_factor(0.002, 0.00208, 10, 1.68e-8, 2 * math.pi * 1500)
+    assert f > 1.3
+
+
+# --- трение и воздух ---
+
+
+def test_stage_with_friction_slower_than_ideal():
+    """Выходная скорость с трением/воздухом ниже, чем была бы без них."""
+    stage = make_stage()
+    projectile = make_projectile()
+    res = run_stage(-0.06, 3.0, stage, projectile)
+    assert res.feasible, res.reason
+    # подлёт 3 м/с на ~3 см: только трение уже отъедает заметную скорость
+    phys = build_stage_physics(stage, projectile)
+    assert phys.circuit_params.retard_const_n > 0
+    assert phys.circuit_params.drag_coeff_n_per_mps2 > 0
+
+
+def test_slow_projectile_stalls_before_sensor():
+    """Медленный снаряд далеко от датчика останавливается трением — честный отказ."""
+    stage = make_stage()
+    projectile = make_projectile()
+    res = run_stage(-1.0, 0.15, stage, projectile)  # 15 см/с за метр до катушки
+    assert not res.feasible
+    assert "трением" in res.reason
+
+
+def test_energy_balance_with_friction():
+    """Баланс: E_in = E_ост.конденсатора + E_потерь(включая трение) + ΔE_кин."""
+    stage = make_stage()
+    projectile = make_projectile()
+    res = run_stage(-0.06, 3.0, stage, projectile)
+    assert res.feasible, res.reason
+    balance = res.energy_remaining_cap_j + res.energy_dissipated_j + res.kinetic_energy_delta_j
+    assert abs(balance - res.energy_in_j) < 0.02 * res.energy_in_j
+
+
+# --- импульсные рейтинги ключей ---
+
+
+def test_pulse_ratings_loaded_from_datasheets():
+    by_pn = {s.part_number: s for s in DB.switches}
+    assert by_pn["IRFP254PBF"].pulse_current_a == 92.0  # IDM из даташита
+    assert by_pn["BT151-650R"].pulse_current_a == 100.0  # ITSM
+    assert by_pn["IRG4PC50F"].pulse_current_a == 280.0  # ICM
+    for s in DB.switches:
+        limit = switch_pulse_limit_a(s)
+        assert limit >= s.max_current_a  # импульсный >= продолжительного
+
+
+def test_pulse_limit_fallback_without_datasheet():
+    from dataclasses import replace
+
+    sw = replace(DB.switches[0], pulse_current_a=None)
+    # без даташита — консервативный множитель по типу ключа
+    assert switch_pulse_limit_a(sw) == sw.max_current_a * {"SCR": 10.0, "MOSFET": 4.0, "IGBT": 3.0}[sw.kind]