초임계 이산화탄소(sCO2) 발전 브레이튼 사이클 & 1,000Hz 0-Alloc C# 임계점 열역학 압축기 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.SupercriticalBrayton;

/// 

/// 초임계 CO2 브레이튼 사이클 열역학 상태 구조체 (100% Stack Allocation)
/// 
public readonly ref struct Sco2CycleState
{
    public readonly double CompressorInletTempC;  // 압축기 입구 온도 (°C)
    public readonly double CompressorInletPressMpa;// 압축기 입구 압력 (MPa)
    public readonly double FluidDensityKgM3;      // 입구 유체 밀도 (kg/m^3)
    public readonly double CompressorWorkMegaWatt;// 압축기 소모 동력 (MW)
    public readonly double TurbinePowerMegaWatt;  // 터빈 발전 출력 (MW)
    public readonly double CycleThermalEfficiency;// 사이클 순 열효율 (%)

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public Sco2CycleState(
        double compressorInletTempC,
        double compressorInletPressMpa,
        double fluidDensityKgM3,
        double compressorWorkMegaWatt,
        double turbinePowerMegaWatt,
        double cycleThermalEfficiency)
    {
        CompressorInletTempC = compressorInletTempC;
        CompressorInletPressMpa = compressorInletPressMpa;
        FluidDensityKgM3 = fluidDensityKgM3;
        CompressorWorkMegaWatt = compressorWorkMegaWatt;
        TurbinePowerMegaWatt = turbinePowerMegaWatt;
        CycleThermalEfficiency = cycleThermalEfficiency;
    }
}

/// 

/// 1,000Hz 0-Alloc C# 초임계 이산화탄소(sCO2) 브레이튼 사이클 시뮬레이터
/// 
public static class SupercriticalCo2Engine
{
    private const double MassFlowKgS = 125.0;         // 순환 질량 유량 (125 kg/s)
    private const double TurbineInletTempC = 550.0;   // 터빈 입구 초고온 (550°C)
    private const double TurbineInletPressMpa = 20.0; // 20 MPa
    private const double CompressorEff = 0.86;
    private const double TurbineEff = 0.91;

    /// 

    /// 1ms 타임스텝 임계점 근접 압축기 제어 및 실시간 사이클 해석 (0-Alloc)
    /// 
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public static Sco2CycleState StepThermodynamics(
        double inletTempC,
        double inletPressMpa)
    {
        // 1. 임계점 인근 밀도 근사 (T_c = 31.04°C, P_c = 7.39 MPa)
        // 임계점 바로 위(32°C, 7.8 MPa)에서 액체 수준의 고밀도 달성 (~620 kg/m^3)
        double deltaT = Math.Max(inletTempC - 31.04, 0.05);
        double deltaP = Math.Max(inletPressMpa - 7.39, 0.05);
        double density = 450.0 + 200.0 * (deltaP / (deltaP + 0.5)) - 15.0 * deltaT;
        density = Math.Clamp(density, 180.0, 750.0);

        // 2. 압축기 소모 동력: W_c = m_dot * ΔP / (rho * eta_c) (MW)
        double pressDiffPa = (TurbineInletPressMpa - inletPressMpa) * 1e6;
        double compWorkWatts = (MassFlowKgS * pressDiffPa) / (density * CompressorEff);
        double compWorkMw = compWorkWatts * 1e-6;

        // 3. 터빈 발전 동력: 고온 팽창 일 (MW)
        // 550°C 20MPa -> 8MPa 팽창 엔탈피 강하 약 110 kJ/kg
        double turbineEnthalpyDrop = 115e3; // J/kg
        double turbineWorkWatts = MassFlowKgS * turbineEnthalpyDrop * TurbineEff;
        double turbineWorkMw = turbineWorkWatts * 1e-6;

        // 4. 열입력 Q_in 및 사이클 열효율 (%)
        double netWorkMw = turbineWorkMw - compWorkMw;
        double heatInputMw = 28.5; // 노심/연소기 열입력 28.5 MWth
        double efficiency = Math.Clamp((netWorkMw / heatInputMw) * 100.0, 20.0, 52.0);

        return new Sco2CycleState(
            inletTempC,
            inletPressMpa,
            density,
            compWorkMw,
            turbineWorkMw,
            efficiency);
    }
}