Κώδικες υπολογισμών θερμοφυσικών ιδιοτήτων ελαφρού και βαρέος ύδατος σε περιβάλλον προγραμματισμού MATLAB 7.8 (R2009a) και SCILAB 5.2.2

Abstract

Οι κύριοι στόχοι της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας συνοψίζονται ως εξής: (α) στην εισαγωγική ανάπτυξη και πρώτη γνωριμία για τα περιβάλλοντα προγραμματισμού MATLAB και SCILAB, δεδομένου ότι τα περιβάλλοντα αυτά δεν έχουν ξαναχρησιμοποιηθεί για ανάπτυξη κωδίκων στον Τομέα Πυρηνικής Τεχνολογίας της Σχολής Μηχανολόγων του ΕΜΠ. (β) στην επισκόπηση των εξισώσεων και των συσχετίσεων για τις θερμοφυσικές ιδιότητες ελαφρού και βαρέος ύδατος, όπως αυτές έχουν χρησιμοποιηθεί σε κώδικες υπολογισμού ιδιοτήτων που έχουν υλοποιηθεί σε γλώσσα FORTRAN, στα πλαίσια παλαιότερων Διπλωματικών Εργασιών του Τομέα Πυρηνικής Τεχνολογίας. (γ) στην ανάπτυξη κωδίκων υπολογισμού θερμοφυσικών ιδιοτήτων ελαφρού και βαρέος ύδατος σε περιβάλλον MATLAB και SCILAB με βάση τη δομή και τη σύνταξη των αντίστοιχων κωδίκων που έχουν υλοποιηθεί σε γλώσσα FORTRAN. Οι κώδικες αυτοί πρέπει να λειτουργούν ώστε να δέχονται ως μεταβλητές εισόδου την πίεση και τη θερμοκρασία. Οι ιδιότητες που θα γίνονται διαθέσιμες σε κάθε υπολογισμό ως αποτελέσματα, είναι: πίεση, θερμοκρασία, πυκνότητα, εντροπία, ενθαλπία, ειδικές θερμοχωρητικότητες, ταχύτητα του ήχου, συνεκτικότητα, θερμική αγωγιμότητα, επιφανειακή τάση και σταθερά Laplace. (δ) στην εκτενή περιγραφή της δομής και των οδηγιών χρήσης των κωδίκων υπολογισμού θερμοφυσικών ιδιοτήτων ελαφρού και βαρέος ύδατος σε περιβάλλον MATLAB και SCILAB με συνακόλουθη λεπτομερή εξέταση όλων των υποπρογραμμάτων κατά ομάδες ανάλογα και με τις λειτουργίες που αυτά διεκπεραιώνουν και της ροής της εκτέλεσης ανάλογα και με τα ζητούμενα που καθορίζει ο χρήστης. (στ) στην ανάλυση σχετικά με τις διάφορες ιδιαιτερότητες του προγραμματισμού σε MATLAB και SCILAB σε σχέση και με το περιβάλλον προγραμματισμού FORTRAN. Συγκεκριμένα, χρειάζεται να παρουσιασθεί ο τρόπος με τον οποίο αντικαταστάθηκαν ορισμένα από τα προγραμματιστικά εργαλεία που υπάρχουν στη γλώσσα FORTRAN από αντίστοιχα προγραμματιστικά εργαλεία που διατίθενται στα περιβάλλοντα προγραμματισμού MATLAB και SCILAB. Η παρουσίαση αυτή είναι απαραίτητη διότι ορισμένες από τις εντολές και τα εργαλεία της FORTRAN υλοποιούνται κάπως ή πολύ διαφορετικά στο MATLAB ή το SCILAB. Στην πορεία της Διπλωματικής Εργασίας πιστεύεται ότι αντιμετωπίσθηκαν με επιτυχία όλοι οι πιοπάνω στόχοι και αποδόθηκε ως τελικό προϊόν οι κώδικες σε περιβάλλοντα προγραμματισμού MATLAB και SCILAB για τον υπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων του ελαφρού και του βαρέος ύδατος για διάφορες θερμοκρασίες και πιέσεις που καλύπτουν την περιοχή ισχύος των χρησιμοποιούμενων σχετικών εξισώσεων. Διαπιστώθηκε ότι τα περιβάλλοντα προγραμματισμού MATLAB και SCILAB, πράγματι εξαιρετικά φιλικά προς τον χρήστη, διότι διαθέτουν μαθηματικά και γραφικά εργαλεία σε πολύ μεγαλύτερη έκταση από οποιοδήποτε άλλο σχεδόν προγραμματιστικό περιβάλλον. Η δοκιμή δημιουργίας κωδίκων θερμοφυσικών ιδιοτήτων σε αυτά τα περιβάλλοντα έπρεπε να γίνει για να διαπιστωθεί η χρηστικότητα τους και για να πραγματοποιηθεί στο μέλλον η εκμετάλλευση ορισμένων επιπλέον δυνατοτήτων που δίνονται από το MATLAB και το SCILAB, σε σύγκριση με τις δυνατότητες κωδίκων που έχουν γραφτεί σε γλώσσα FORTRAN.

The main objectives of this Diploma Dissertation may be summarized as it follows: (1) to briefly review and in summary present the MATLAB and SCILAB programming environments, since programming in them has not yet been applied in code development at the Nuclear Engineering Department of the National Technical University of Athens. (2) to review the state equations and the relevant correlations for the calculation of the thermophysical properties of light (ordinary) and heavy water, that have been implemented in codes for propertied calculation developed in FORTRAN, in the course of Nuclear Engineering Department Diploma Dissertations as completed in the recent past. (3) to develop codes for the calculation of the thermophysical properties of light and heavy water in MATLAB and SCILAB programming environments, based on the structure and the syntax of respective codes, which have been previously prepared in FORTRAN. The codes should work so that they could accept as input pressure and temperature. The properties, which should become available as results are pressure, temperature, density, entropy, enthalpy, heat capacities, speed of sound, viscosity, thermal conductivity, surface tension and the Laplace constant. (4) to extensively describe the structure and use instructions of the codes developed for the calculation of the thermophysical properties of light and heavy water in the MATLAB and SCILAB programming environments. In this context, all classes of subprograms are to be reviewed in detail regarding their internal operation and also in conjunction with code execution flow and depending on which properties are requested by the user. (6) to analyze certain peculiarities and differences between programming in MATLAB and SCILAB and programming in FORTRAN. In particular, there is a specific need to present the way in which some FORTRAN programming tools and commands have been replaced by the respective tools in MATLAB and SCILAB. Such a presentation is necessary, since some of the commands and programming techniques used in FORTRAN are quite differently implemented in MATLAB and SCILAB. It is believed that during the course of this Diploma Dissertation, all the above objectives, have been dealt with successfully. The final outcome was reliable codes for the calculation of the thermophysical properties of light and heavy water in the MATLAB and SCILAB programming environments for pressures and temperatures that cover the validity region of the implemented relevant equations and correlations. Moreover, it has been established that the MATLAB and SCILAB programming environments are actually very user-friendly, since they include extended mathematical and graphical tools which are missing from almost any other programming environment. The test development of these codes for the thermophysical properties in MATLAB and SCILAB was a necessary task, so that one could get familiar with their capabilities and in order to create a momentum for further exploiting the enhanced tools of MATLAB and SCILAB in the future.