Skip to main content

Library for calculating internal ballistics

Project description

PyBallistics

Python-библиотека для решения ОЗВБ в термодинамической и газодинамической постановках.

Установка

Установить библиотеку можно через менеджер пакетов pip. Для этого достаточно выполнить в консоле команду

pip install 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 резульат

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 своваря 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 вормуле расчета коэффициента фиктивности массы снаряда);
    • 'p_0' - давление форсирования, Па;
    • 'T_0'(опционально) - начлаьная температура, К (значение по умолчанию 293.15 К);
    • 'S'(опционально) - площадь поперечного сечения, м^2. (значение по умолчанию 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 эелемент. 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 (cписок доступных имен можно получить из функции get_powder_names). Т.е. при желании можно корректировать часть характреистик 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') - оэффициент адиабаты пороховых газов.
    • 'T_c'(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 воспралменителя, 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) - началоная температура стенки, К. Если не указывть - 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_c'(опционально) - тоже для формулы Сазерленда, К (значение по умолчанию 628).
    • 'T_0'(опционально) - тоже для формулы Сазерленда, К (значение по умолчанию 273).
    • 'c_c'(опционально) - теплоемкость материала ствола, Дж/(кг * град) (значение по умолчанию 500).
    • 'rho_c'(опционально) - плотность маетриала ствола, кг/м^ (значение по умолчанию 7900).
    • 'lambda_c'(опционально) - теплопроводность материала ствола, Вт/(м·град) (значение по умолчанию 40).
    • 'lambda'(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 интегрирвоания.
    • '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) - lополнительное 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 секундках
}

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 темперетурой 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 атмосфеному давлению перед снарядом
    'Q_w': np.array([...]),   # numpy-массив с суммарной энергией в Дж, отданой 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 секундках
}

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 секундках
}

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 секундках
    '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 до 'z_N', 'psi_N'
        },
        {...},                 # 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__)

Download files

Download the file for your platform. If you're not sure which to choose, learn more about installing packages.

Files for pyballistics, version 1.0.5
Filename, size File type Python version Upload date Hashes
Filename, size pyballistics-1.0.5-cp37-cp37m-win_amd64.whl (306.8 kB) File type Wheel Python version cp37 Upload date Hashes View
Filename, size pyballistics-1.0.5.tar.gz (447.1 kB) File type Source Python version None Upload date Hashes View

Supported by

Pingdom Pingdom Monitoring Google Google Object Storage and Download Analytics Sentry Sentry Error logging AWS AWS Cloud computing DataDog DataDog Monitoring Fastly Fastly CDN DigiCert DigiCert EV certificate StatusPage StatusPage Status page