지하 심부 지열 에너지(EGS) 수압 파쇄 균열망 & 1,000Hz 0-Alloc C# 5,000m 열-수리-역학(THM) 연성 유동 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.GeothermalEnergy;

/// 

/// EGS 심부 지열 균열망 열수력 상태 구조체 (100% Stack Allocation)
/// 
public readonly ref struct EgsReservoirState
{
    public readonly double InjectionPressureMpa;  // 주입정 압력 (MPa)
    public readonly double ProductionTempC;       // 생산정 열수 온도 (°C)
    public readonly double CirculatingFlowKgS;    // 지하수 순환 유량 (kg/s)
    public readonly double FractureApertureMm;    // 균열 유효 간극 (mm)
    public readonly double ThermalPowerMegaWatt;  // 생산 열출력 (MWth)
    public readonly double ElectricPowerMegaWatt; // 발전 전기 출력 (MWe)

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public EgsReservoirState(
        double injectionPressureMpa,
        double productionTempC,
        double circulatingFlowKgS,
        double fractureApertureMm,
        double thermalPowerMegaWatt,
        double electricPowerMegaWatt)
    {
        InjectionPressureMpa = injectionPressureMpa;
        ProductionTempC = productionTempC;
        CirculatingFlowKgS = circulatingFlowKgS;
        FractureApertureMm = fractureApertureMm;
        ThermalPowerMegaWatt = thermalPowerMegaWatt;
        ElectricPowerMegaWatt = electricPowerMegaWatt;
    }
}

/// 

/// 1,000Hz 0-Alloc C# 5,000m 심부 인공 지열(EGS) THM 연성 시뮬레이터
/// 
public static class EnhancedGeothermalEngine
{
    private const double ReservoirDepthM = 4800.0;    // 저류층 심도 (4,800m)
    private const double RockInitialTempC = 215.0;    // 215°C 초기 암반 온도
    private const double WaterSpecificHeat = 4200.0;  // 물 비열 (J/kg·K)
    private const double InjectionTempC = 65.0;       // 주입 온도 (65°C)
    private const double BinaryCycleEfficiency = 0.14;// 바이너리 발전 효율 (14%)

    /// 

    /// 1ms 타임스텝 주입 압력에 따른 유동 및 열추출 해석 (0-Alloc)
    /// 
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public static EgsReservoirState StepReservoir(
        double injectionPressureMpa,
        double operationYears = 1.5)
    {
        // 1. 수압에 따른 균열 개방 간극 w (Cubic Law)
        // 정수압 48 MPa 대비 초과 주입압력에 비례
        double overpressure = Math.Max(injectionPressureMpa - 48.0, 0.5);
        double apertureMm = 0.45 + 0.12 * Math.Sqrt(overpressure); // 0.45 ~ 1.2 mm

        // 2. 3승 법칙 기반 순환 유량 산출 (kg/s): Q ~ w^3 * ΔP
        double flowRateKgS = 18.0 * Math.Pow(apertureMm, 3.0) * overpressure;
        flowRateKgS = Math.Clamp(flowRateKgS, 10.0, 180.0);

        // 3. 수년 운전에 따른 저류층 열고갈(Thermal Drawdown) 모델
        // t_years에 따라 생산 온도가 점진적으로 강하
        double drawdownFactor = Math.Exp(-0.015 * operationYears * (flowRateKgS / 80.0));
        double prodTempC = InjectionTempC + (RockInitialTempC - InjectionTempC) * drawdownFactor;

        // 4. 열출력 (MWth) = m_dot * Cp * ΔT
        double deltaT = Math.Max(prodTempC - InjectionTempC, 0.0);
        double thermalWatts = flowRateKgS * WaterSpecificHeat * deltaT;
        double thermalMw = thermalWatts * 1e-6;

        // 5. 전기 출력 (MWe) = 열출력 * 바이너리 ORC 사이클 효율
        double electricMw = thermalMw * BinaryCycleEfficiency;

        return new EgsReservoirState(
            injectionPressureMpa,
            prodTempC,
            flowRateKgS,
            apertureMm,
            thermalMw,
            electricMw);
    }
}