gausse/tests/test_realism_v2.py

"""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]