초고속 진공 튜브 하이퍼루프(Hyperloop) 에어로다이내믹스 & 1,000Hz 0-Alloc C# 칸트로위츠(Kantrowitz) 질식 유동 한계 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.HyperloopAero;

/// 

/// 하이퍼루프 튜브 공기역학 상태 구조체 (100% Stack Allocation)
/// 
public readonly ref struct HyperloopAeroState
{
    public readonly double PodSpeedKmh;          // 포드 주행 속도 (km/h)
    public readonly double MachNumber;            // 포드 마하수
    public readonly double KantrowitzLimitMach;   // 칸트로위츠 질식 한계 마하수
    public readonly bool IsChokedFlow;            // 질식 유동 발생 여부
    public readonly double TotalAerodynamicDragKn;// 총 공기역학적 항력 (kN)
    public readonly double RequiredCompressorFlowKgS;// 전면 압축기 요구 질량 유량 (kg/s)

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public HyperloopAeroState(
        double podSpeedKmh,
        double machNumber,
        double kantrowitzLimitMach,
        bool isChokedFlow,
        double totalAerodynamicDragKn,
        double requiredCompressorFlowKgS)
    {
        PodSpeedKmh = podSpeedKmh;
        MachNumber = machNumber;
        KantrowitzLimitMach = kantrowitzLimitMach;
        IsChokedFlow = isChokedFlow;
        TotalAerodynamicDragKn = totalAerodynamicDragKn;
        RequiredCompressorFlowKgS = requiredCompressorFlowKgS;
    }
}

/// 

/// 1,000Hz 0-Alloc C# 하이퍼루프 칸트로위츠 한계 공기역학 시뮬레이터
/// 
public static class HyperloopAerodynamicsEngine
{
    private const double TubePressurePa = 100.0;     // 100 Pa 아진공
    private const double SoundSpeedMPerS = 340.0;    // 튜브 내 음속 (m/s)
    private const double TubeRadiusM = 1.65;         // 튜브 반경 (단면적 ~8.55 m^2)
    private const double PodFrontAreaM2 = 2.85;      // 포드 전면 단면적 (차폐율 BR ~ 0.33)
    private const double AirDensityKgM3 = 0.0012;    // 100Pa 상온 공기 밀도 (~0.0012 kg/m^3)

    /// 

    /// 1ms 타임스텝 포드 속도에 따른 질식 유동 및 항력 연산 (0-Alloc)
    /// 
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public static HyperloopAeroState StepAerodynamics(
        double podSpeedKmh,
        double compressorActiveBypassRatio = 0.0)
    {
        double speedMPerS = podSpeedKmh * (1000.0 / 3600.0);
        double mach = speedMPerS / SoundSpeedMPerS;

        // 1. 차폐율 BR에 따른 칸트로위츠 한계 마하수 근사식
        double tubeArea = Math.PI * TubeRadiusM * TubeRadiusM;
        double blockageRatio = PodFrontAreaM2 / tubeArea; // ~0.333
        // BR ~ 0.333일 때 칸트로위츠 마하수 약 M_kant ~ 0.58
        double kantMach = 0.88 * Math.Pow(1.0 - blockageRatio, 0.75);

        // 2. 질식 유동 판정
        bool isChoked = mach > kantMach && compressorActiveBypassRatio < 0.65;

        // 3. 공기역학 항력 계산 (kN)
        double qDyn = 0.5 * AirDensityKgM3 * (speedMPerS * speedMPerS);
        double baseDragN = qDyn * PodFrontAreaM2 * 0.25; // 비질식 상태 기본 형상 항력

        double totalDragN;
        double reqCompressorFlow = 0.0;

        if (isChoked)
        {
            // 질식 시 피스톤 과압 발생 (수십 배 항력 급증)
            double shockPressureRatio = 1.0 + 1.2 * (mach - kantMach) * (mach - kantMach);
            double deltaP = TubePressurePa * (shockPressureRatio - 1.0);
            double pistonDragN = deltaP * PodFrontAreaM2 * 25.0; // 충격파 항력
            totalDragN = baseDragN + pistonDragN;

            // 질식을 해소하기 위한 필요 공기 유량: m_dot = rho * A_pod * v
            reqCompressorFlow = AirDensityKgM3 * PodFrontAreaM2 * speedMPerS * (1.0 - kantMach / mach);
        }
        else
        {
            totalDragN = baseDragN * (1.0 + 0.5 * mach);
        }

        double totalDragKn = totalDragN * 1e-3;

        return new HyperloopAeroState(
            podSpeedKmh,
            mach,
            kantMach,
            isChoked,
            totalDragKn,
            reqCompressorFlow);
    }
}