Line data Source code
1 : //* This file is part of the MOOSE framework
2 : //* https://mooseframework.inl.gov
3 : //*
4 : //* All rights reserved, see COPYRIGHT for full restrictions
5 : //* https://github.com/idaholab/moose/blob/master/COPYRIGHT
6 : //*
7 : //* Licensed under LGPL 2.1, please see LICENSE for details
8 : //* https://www.gnu.org/licenses/lgpl-2.1.html
9 :
10 : #include "HeliumFluidProperties.h"
11 :
12 : registerMooseObject("FluidPropertiesApp", HeliumFluidProperties);
13 :
14 : InputParameters
15 22 : HeliumFluidProperties::validParams()
16 : {
17 22 : InputParameters params = SinglePhaseFluidProperties::validParams();
18 22 : params.addClassDescription("Fluid properties for helium");
19 22 : return params;
20 0 : }
21 :
22 11 : HeliumFluidProperties::HeliumFluidProperties(const InputParameters & parameters)
23 11 : : SinglePhaseFluidProperties(parameters), _cv(3117.0), _cp(5195.0)
24 : {
25 11 : }
26 :
27 : std::string
28 1 : HeliumFluidProperties::fluidName() const
29 : {
30 1 : return "helium";
31 : }
32 :
33 : Real
34 1 : HeliumFluidProperties::e_from_p_rho(Real p, Real rho) const
35 : {
36 : // Initial guess using ideal gas law
37 1 : Real e = p / (_cp / _cv - 1.) / rho;
38 1 : const Real v = 1. / rho;
39 :
40 : Real p_from_props, dp_dv, dp_de;
41 : const unsigned int max_its = 10;
42 : unsigned int it = 0;
43 :
44 : do
45 : {
46 2 : p_from_v_e(v, e, p_from_props, dp_dv, dp_de);
47 : const Real & jacobian = dp_de;
48 2 : const Real residual = p_from_props - p;
49 :
50 2 : if (std::abs(residual) / p < 1e-12)
51 : break;
52 :
53 1 : const Real delta_e = -residual / jacobian;
54 1 : e += delta_e;
55 1 : } while (++it < max_its);
56 :
57 1 : if (it >= max_its)
58 0 : mooseWarning("The e_from_p_rho iteration failed to converge");
59 :
60 1 : return e;
61 : }
62 :
63 : ADReal
64 0 : HeliumFluidProperties::e_from_p_rho(const ADReal & p, const ADReal & rho) const
65 : {
66 : // Initial guess using ideal gas law
67 0 : ADReal e = p / (_cp / _cv - 1.) / rho;
68 0 : const ADReal v = 1. / rho;
69 :
70 : ADReal p_from_props, dp_dv, dp_de;
71 : const unsigned int max_its = 10;
72 : unsigned int it = 0;
73 :
74 : do
75 : {
76 0 : p_from_v_e(v, e, p_from_props, dp_dv, dp_de);
77 : const ADReal & jacobian = dp_de;
78 : const ADReal residual = p_from_props - p;
79 :
80 0 : if (std::abs(residual.value()) / p.value() < 1e-12)
81 : break;
82 :
83 0 : const ADReal delta_e = -residual / jacobian;
84 0 : e += delta_e;
85 0 : } while (++it < max_its);
86 :
87 0 : if (it >= max_its)
88 0 : mooseWarning("The e_from_p_rho iteration failed to converge");
89 :
90 0 : return e;
91 : }
92 :
93 : Real
94 10 : HeliumFluidProperties::p_from_v_e(Real v, Real e) const
95 : {
96 10 : Real T = T_from_v_e(v, e);
97 10 : return T / (48.14 * v - 0.4446 / std::pow(T, 0.2)) * 1.0e5;
98 : }
99 :
100 : ADReal
101 0 : HeliumFluidProperties::p_from_v_e(const ADReal & v, const ADReal & e) const
102 : {
103 0 : const ADReal T = T_from_v_e(v, e);
104 0 : return T / (48.14 * v - 0.4446 / std::pow(T, 0.2)) * 1.0e5;
105 : }
106 :
107 : void
108 3 : HeliumFluidProperties::p_from_v_e(Real v, Real e, Real & p, Real & dp_dv, Real & dp_de) const
109 : {
110 3 : p = p_from_v_e(v, e);
111 :
112 : Real T, dT_dv, dT_de;
113 3 : T_from_v_e(v, e, T, dT_dv, dT_de);
114 :
115 3 : Real val = 48.14 * v - 0.4446 / std::pow(T, 0.2);
116 3 : Real dp_dT = 1.0e5 / val - 0.4446 * 0.2e5 * std::pow(T, -0.2) / (val * val);
117 :
118 3 : dp_dv = -48.14e5 * T / (val * val); // taking advantage of dT_dv = 0.0;
119 3 : dp_de = dp_dT * dT_de;
120 3 : }
121 :
122 : void
123 0 : HeliumFluidProperties::p_from_v_e(
124 : const ADReal & v, const ADReal & e, ADReal & p, ADReal & dp_dv, ADReal & dp_de) const
125 : {
126 0 : p = p_from_v_e(v, e);
127 :
128 : ADReal T, dT_dv, dT_de;
129 0 : T_from_v_e(v, e, T, dT_dv, dT_de);
130 :
131 0 : auto val = 48.14 * v - 0.4446 / std::pow(T, 0.2);
132 0 : auto dp_dT = 1.0e5 / val - 0.4446 * 0.2e5 * std::pow(T, -0.2) / (val * val);
133 :
134 0 : dp_dv = -48.14e5 * T / (val * val); // taking advantage of dT_dv = 0.0;
135 0 : dp_de = dp_dT * dT_de;
136 0 : }
137 :
138 : Real
139 0 : HeliumFluidProperties::p_from_T_v(const Real T, const Real v) const
140 : {
141 : // Formula taken from p_from_v_e method
142 0 : return T / (48.14 * v - 0.4446 / std::pow(T, 0.2)) * 1.0e5;
143 : }
144 :
145 : ADReal
146 0 : HeliumFluidProperties::p_from_T_v(const ADReal & T, const ADReal & v) const
147 : {
148 : // Formula taken from p_from_v_e method
149 0 : return T / (48.14 * v - 0.4446 / std::pow(T, 0.2)) * 1.0e5;
150 : }
151 :
152 : Real
153 0 : HeliumFluidProperties::e_from_T_v(const Real T, const Real /*v*/) const
154 : {
155 : // Formula taken from e_from_p_T method
156 0 : return _cv * T;
157 : }
158 :
159 : void
160 0 : HeliumFluidProperties::e_from_T_v(
161 : const Real T, const Real v, Real & e, Real & de_dT, Real & de_dv) const
162 : {
163 0 : e = e_from_T_v(T, v);
164 0 : de_dT = _cv;
165 0 : de_dv = 0;
166 0 : }
167 :
168 : ADReal
169 0 : HeliumFluidProperties::e_from_T_v(const ADReal & T, const ADReal & /*v*/) const
170 : {
171 : // Formula taken from e_from_p_T method
172 0 : return _cv * T;
173 : }
174 :
175 : void
176 0 : HeliumFluidProperties::e_from_T_v(
177 : const ADReal & T, const ADReal & v, ADReal & e, ADReal & de_dT, ADReal & de_dv) const
178 : {
179 0 : e = e_from_T_v(T, v);
180 0 : de_dT = _cv;
181 0 : de_dv = 0;
182 0 : }
183 :
184 : Real
185 22 : HeliumFluidProperties::T_from_v_e(Real /*v*/, Real e) const
186 : {
187 22 : return e / _cv;
188 : }
189 :
190 : ADReal
191 0 : HeliumFluidProperties::T_from_v_e(const ADReal & /*v*/, const ADReal & e) const
192 : {
193 0 : return e / _cv;
194 : }
195 :
196 : void
197 4 : HeliumFluidProperties::T_from_v_e(Real v, Real e, Real & T, Real & dT_dv, Real & dT_de) const
198 : {
199 4 : T = T_from_v_e(v, e);
200 4 : dT_dv = 0.0;
201 4 : dT_de = 1.0 / _cv;
202 4 : }
203 :
204 : void
205 0 : HeliumFluidProperties::T_from_v_e(
206 : const ADReal & v, const ADReal & e, ADReal & T, ADReal & dT_dv, ADReal & dT_de) const
207 : {
208 0 : T = SinglePhaseFluidProperties::T_from_v_e(v, e);
209 0 : dT_dv = 0.0;
210 0 : dT_de = 1.0 / _cv;
211 0 : }
212 :
213 : Real
214 1 : HeliumFluidProperties::T_from_p_h(Real /* p */, Real h) const
215 : {
216 1 : return h / _cp;
217 : }
218 :
219 : Real
220 0 : HeliumFluidProperties::c_from_v_e(Real v, Real e) const
221 : {
222 0 : Real p = p_from_v_e(v, e);
223 0 : Real T = T_from_v_e(v, e);
224 :
225 : Real rho, drho_dp, drho_dT;
226 0 : rho_from_p_T(p, T, rho, drho_dp, drho_dT);
227 :
228 0 : Real c2 = -(p / rho / rho - _cv / drho_dT) / (_cv * drho_dp / drho_dT);
229 0 : return std::sqrt(c2);
230 : }
231 :
232 : void
233 0 : HeliumFluidProperties::c_from_v_e(Real v, Real e, Real & c, Real & dc_dv, Real & dc_de) const
234 : {
235 0 : ADReal myv = v;
236 : Moose::derivInsert(myv.derivatives(), 0, 1);
237 : Moose::derivInsert(myv.derivatives(), 1, 0);
238 0 : ADReal mye = e;
239 : Moose::derivInsert(mye.derivatives(), 0, 0);
240 : Moose::derivInsert(mye.derivatives(), 1, 1);
241 :
242 0 : auto p = SinglePhaseFluidProperties::p_from_v_e(myv, mye);
243 0 : auto T = SinglePhaseFluidProperties::T_from_v_e(myv, mye);
244 :
245 : ADReal rho, drho_dp, drho_dT;
246 0 : rho_from_p_T(p, T, rho, drho_dp, drho_dT);
247 :
248 0 : auto cc = std::sqrt(-(p / rho / rho - _cv / drho_dT) / (_cv * drho_dp / drho_dT));
249 0 : c = cc.value();
250 0 : dc_dv = cc.derivatives()[0];
251 0 : dc_de = cc.derivatives()[1];
252 0 : }
253 :
254 7 : Real HeliumFluidProperties::cp_from_v_e(Real /*v*/, Real /*e*/) const { return _cp; }
255 :
256 : void
257 1 : HeliumFluidProperties::cp_from_v_e(Real v, Real e, Real & cp, Real & dcp_dv, Real & dcp_de) const
258 : {
259 1 : cp = cp_from_v_e(v, e);
260 1 : dcp_dv = 0.0;
261 1 : dcp_de = 0.0;
262 1 : }
263 :
264 7 : Real HeliumFluidProperties::cv_from_v_e(Real /*v*/, Real /*e*/) const { return _cv; }
265 :
266 : void
267 1 : HeliumFluidProperties::cv_from_v_e(Real v, Real e, Real & cv, Real & dcv_dv, Real & dcv_de) const
268 : {
269 1 : cv = cv_from_v_e(v, e);
270 1 : dcv_dv = 0.0;
271 1 : dcv_de = 0.0;
272 1 : }
273 :
274 : Real
275 1 : HeliumFluidProperties::mu_from_v_e(Real v, Real e) const
276 : {
277 1 : return 3.674e-7 * std::pow(T_from_v_e(v, e), 0.7);
278 : }
279 :
280 : Real
281 1 : HeliumFluidProperties::k_from_v_e(Real v, Real e) const
282 : {
283 1 : Real p_in_bar = p_from_v_e(v, e) * 1.0e-5;
284 1 : Real T = T_from_v_e(v, e);
285 1 : return 2.682e-3 * (1.0 + 1.123e-3 * p_in_bar) * std::pow(T, 0.71 * (1.0 - 2.0e-4 * p_in_bar));
286 : }
287 :
288 : Real
289 0 : HeliumFluidProperties::beta_from_p_T(Real pressure, Real temperature) const
290 : {
291 : Real rho;
292 : Real drho_dT;
293 : Real drho_dp;
294 0 : rho_from_p_T(pressure, temperature, rho, drho_dp, drho_dT);
295 :
296 0 : return -drho_dT / rho;
297 : }
298 :
299 : Real
300 14 : HeliumFluidProperties::rho_from_p_T(Real pressure, Real temperature) const
301 : {
302 14 : Real p_in_bar = pressure * 1.0e-5;
303 14 : return 48.14 * p_in_bar / (temperature + 0.4446 * p_in_bar / std::pow(temperature, 0.2));
304 : }
305 :
306 : void
307 1 : HeliumFluidProperties::rho_from_p_T(
308 : Real pressure, Real temperature, Real & rho, Real & drho_dp, Real & drho_dT) const
309 : {
310 1 : rho = rho_from_p_T(pressure, temperature);
311 1 : Real val = 1.0 / (temperature + 0.4446e-5 * pressure / std::pow(temperature, 0.2));
312 1 : drho_dp = 48.14e-5 * (val - 0.4446e-5 * pressure * val * val / std::pow(temperature, 0.2));
313 1 : drho_dT =
314 1 : -48.14e-5 * pressure * val * val * (1.0 - 0.08892e-5 * pressure / std::pow(temperature, 1.2));
315 1 : }
316 :
317 : void
318 0 : HeliumFluidProperties::rho_from_p_T(const ADReal & pressure,
319 : const ADReal & temperature,
320 : ADReal & rho,
321 : ADReal & drho_dp,
322 : ADReal & drho_dT) const
323 : {
324 0 : rho = SinglePhaseFluidProperties::rho_from_p_T(pressure, temperature);
325 0 : auto val = 1.0 / (temperature + 0.4446e-5 * pressure / std::pow(temperature, 0.2));
326 0 : drho_dp = 48.14e-5 * (val - 0.4446e-5 * pressure * val * val / std::pow(temperature, 0.2));
327 : drho_dT =
328 0 : -48.14e-5 * pressure * val * val * (1.0 - 0.08892e-5 * pressure / std::pow(temperature, 1.2));
329 0 : }
330 :
331 : Real
332 13 : HeliumFluidProperties::e_from_p_T(Real /*pressure*/, Real temperature) const
333 : {
334 13 : return _cv * temperature;
335 : }
336 :
337 : void
338 1 : HeliumFluidProperties::e_from_p_T(
339 : Real pressure, Real temperature, Real & e, Real & de_dp, Real & de_dT) const
340 : {
341 1 : e = e_from_p_T(pressure, temperature);
342 1 : de_dp = 0.0;
343 1 : de_dT = _cv;
344 1 : }
345 :
346 : Real
347 8 : HeliumFluidProperties::h_from_p_T(Real /*pressure*/, Real temperature) const
348 : {
349 8 : return _cp * temperature;
350 : }
351 :
352 : void
353 1 : HeliumFluidProperties::h_from_p_T(
354 : Real pressure, Real temperature, Real & h, Real & dh_dp, Real & dh_dT) const
355 : {
356 1 : h = h_from_p_T(pressure, temperature);
357 1 : dh_dp = 0.0;
358 1 : dh_dT = _cp;
359 1 : }
360 :
361 : Real
362 1 : HeliumFluidProperties::molarMass() const
363 : {
364 1 : return 4.002602e-3;
365 : }
366 :
367 7 : Real HeliumFluidProperties::cp_from_p_T(Real /*pressure*/, Real /*temperature*/) const
368 : {
369 7 : return _cp;
370 : }
371 :
372 : void
373 1 : HeliumFluidProperties::cp_from_p_T(
374 : Real pressure, Real temperature, Real & cp, Real & dcp_dp, Real & dcp_dT) const
375 : {
376 1 : cp = cp_from_p_T(pressure, temperature);
377 1 : dcp_dp = 0.0;
378 1 : dcp_dT = 0.0;
379 1 : }
380 :
381 7 : Real HeliumFluidProperties::cv_from_p_T(Real /*pressure*/, Real /*temperature*/) const
382 : {
383 7 : return _cv;
384 : }
385 :
386 : void
387 1 : HeliumFluidProperties::cv_from_p_T(
388 : Real pressure, Real temperature, Real & cv, Real & dcv_dp, Real & dcv_dT) const
389 : {
390 1 : cv = cv_from_p_T(pressure, temperature);
391 1 : dcv_dp = 0.0;
392 1 : dcv_dT = 0.0;
393 1 : }
394 :
395 : Real
396 7 : HeliumFluidProperties::mu_from_p_T(Real /*pressure*/, Real temperature) const
397 : {
398 7 : return 3.674e-7 * std::pow(temperature, 0.7);
399 : }
400 :
401 : void
402 1 : HeliumFluidProperties::mu_from_p_T(
403 : Real pressure, Real temperature, Real & mu, Real & dmu_dp, Real & dmu_dT) const
404 : {
405 1 : mu = mu_from_p_T(pressure, temperature);
406 1 : dmu_dp = 0.0;
407 1 : dmu_dT = 3.674e-7 * 0.7 * std::pow(temperature, -0.3);
408 1 : }
409 :
410 : Real
411 7 : HeliumFluidProperties::k_from_p_T(Real pressure, Real temperature) const
412 : {
413 7 : return 2.682e-3 * (1.0 + 1.123e-8 * pressure) *
414 7 : std::pow(temperature, 0.71 * (1.0 - 2.0e-9 * pressure));
415 : }
416 :
417 : void
418 1 : HeliumFluidProperties::k_from_p_T(
419 : Real pressure, Real temperature, Real & k, Real & dk_dp, Real & dk_dT) const
420 : {
421 1 : k = k_from_p_T(pressure, temperature);
422 :
423 1 : Real term = 1.0 + 1.123e-8 * pressure;
424 1 : Real exp = 0.71 * (1.0 - 2.0e-9 * pressure);
425 :
426 1 : dk_dp = 2.682e-3 * (term * 0.71 * (-2.0e-9) * std::log(temperature) * std::pow(temperature, exp) +
427 1 : std::pow(temperature, exp) * 1.123e-8);
428 :
429 1 : dk_dT = 2.682e-3 * term * exp * std::pow(temperature, exp - 1.0);
430 1 : }
|
