用python计算ph_用于水和水蒸汽物性计算的Python模块——iapws

在进行热力循环分析、流动传热计算时，需获得水和水蒸汽的物性参数。网上主流的水蒸汽物性计算程序是上海成套所的杨宇教授开发的，有Fortran、C、C#、VB等多个语言版本，还有桌面版本，被本专业学生和研究人员广泛使用。可以说杨教授为同行的便利做了很大贡献，本想贴一下他的个人博客的，但发现他的博客链接挂了。

最近打算使用混合编程，写个Python版本的水蒸汽物性计算的接口程序，搞个在线查询的web，然而google后发现已经有了用于水和水蒸汽物性计算的Python模块——iapws，不得不安利给大家。其实工科领域用Python的不多，要是有人用的话希望别重复造轮子。

1、简介

iapws是IAPWS标准的Python实现，包含一下几个模块：

IAPWS-IF97——水蒸汽

IAPWS-95——水蒸汽

IAPWS-06——冰

IAPWS-08——海水

IAPWS-17—— 重水

......

iapws依赖于numpy-scipy科学计算模块。本文主要介绍IAPWS-IF97模块的使用。IAPWS-IF97实现了5个区域的基本方程(下图)。可以看出压力、温度的范围是很宽的，足够满足工程需要。

2、使用

直接在控制台执行：pip install iapws，安装iapws时会自动安装numpy scipy这两个模块。

2.1 IAPWS97类

可以使用该IAPWS97类创建一个特定热力学状态的对象，该类的构造函数的关键字参数包括：

T：温度[K]

P：压力[MPa]

h：比焓[kJ/kg]

s：比熵[kJ/kgK]

x：干度[-]

有效的参数组合有：

T, P: 对两相无效

P, h

P, s

h, s

T, x: 仅适用于两相

P, x: 仅适用于两相

计算的物性参数如下表所示。我将自己认为常用的参数列在前面了。许多参数不知道什么意思，翻译也不知道有没有问题。可参考：http://iapws.readthedocs.io/en/latest/iapws.iapws97.html

P：压力[MPa]

a：亥姆霍兹自由能[kJ / kg]

joule：焦耳 - 汤姆森系数[K / MPa]

T：温度[K]

Z：压缩系数[ - ]

deltat：等温节流系数[kJ / kg·MPa]

v：比容量[m³/ kg]

fi：逸度系数[ - ]

region：地区

rho：密度[kg /m³]

f：逸度[MPa]

v0：理想比容[m³/ kg]

h：比焓[kJ / kg]

γ：等熵指数[ - ]

u0：理想的内能[kJ / kg]

u：特定内能[kJ / kg]

alfav：等压膨胀系数[1 / K]

h0：理想比焓[kJ / kg]

s：比熵[kJ / kg·K]

xkappa：等温压缩率[1 / MPa]

s0：理想比熵[kJ / kg·K]

cp：定压比热[kJ / kg·K]

kappas：绝热可压缩率[1 / MPa]

a0：理想亥姆霍兹自由能[kJ / kg]

cv：定容比热[kJ / kg·K]

alfap：相对压力系数[1 / K]

g0：理想比吉布斯自由能[kJ / kg]

g：比Gibbs自由能[kJ / kg]

betap：等温应力系数[kg /m³]

cp0：理想定压比热[kJ / kg·K]

n：折射率[ - ]

Pr：折算压力[ - ]

cv0：理想定容比热[kJ / kg·K]

Prandt：普朗特数[ - ]

Tr：折算温度[ - ]

Svap：蒸发熵[kJ / kg·K]

μ：动态粘度[Pa·s]

w0：理想音速[m / s]

gamma0：理想等熵指数[ - ]

nu：运动粘度[m²/ s]

k：导热系数[W / m·K]

epsilon：介电常数[ - ]

w：音速[m / s]

alfa：热扩散系数[m²/ s]

Hvap：汽化热[kJ / kg]

sigma：表面张力[N / m]

查看源码发现，使用IAPWS97类进行物性查询时，先执行calculable方法判断输入条件是否可计算，若可以计算则执行calculo方法，判断输入参数确定的物性状态所处的区域，随后计算各物性。下面是示例：

>>> from iapws importIAPWS97#>>>> 常压常温水 <<<<

>>> water=IAPWS97(T=24+273.15,P=0.013)#焓值

>>>water.h100.66509664191254

#密度

>>>water.rho997.2595184928771

#>>>> 高压蒸汽 <<<<

>>> vapor = IAPWS97(P=15.5, x=1.0)#温度

>>>vapor.T617.9415516035506

#饱和汽焓

>>>vapor.h2596.2167214338015

#饱和水焓

>>> IAPWS97(P=15.5, x=0).h1629.8502994294881

当输入无效的参数组合时，实例会正常产生但不进行物性计算，实例的calculable方法返回空字符串；当输入有效的参数组合时，若可查询则calculable方法返回查询组合，若超出查询范围则抛出异常。

#>>>> 无效的输入 <<<<

>>> test1 = IAPWS97(h=2000.0, T=300.0)#未绑定属性h

>>>test1.h

Traceback (most recent call last):

File"", line 1, in AttributeError:'IAPWS97' object has no attribute 'h'

#calculable返回空字符串

>>>test1.calculable''

#>>>> 有效的输入 <<<<

>>> vapor = IAPWS97(P=15.5, x=1.0)#calculable返回输入的组合

>>>vapor.calculable'Px'

#>>>> 超出查询范围的输入 <<<<

>>> test2 = IAPWS97(P=100.0, T=45.0)

Traceback (most recent call last):

...

NotImplementedError: Incoming out of bound

IAPWS97类提供了丰富的物性计算，若仅是为了查询物性，直接使用该类就行了。但在瞬态计算或其他需要频繁计算物性的场合下，通过IAPWS97类计算物性是不够明智的。因为一般情况下仅仅需要输出一个物性参数就足够了，如根据压力、焓值计算温度，而IAPWS97类计算了许多我们不需要的参数，这会拖慢程序的运行效率。本来程序具有超实时的运行能力，由于物性查询方法的错误使用，程序可能变得巨慢。物性查询成为程序的性能瓶颈，这显然是不合理的。

iapws.iapws97模块提供了一系列的基本方程(fundamental equations)和向后方程(backward equation)，用于特定场合下的物性计算。

2.2 基本方程

iapws.iapws97模块提供了如下基本方程，用于不同区域内的物性计算。形如_Regionr()的函数，根据输入的参数，确定区域r内的状态，返回一个字典；_TSat_P、_PSat_T这两个函数计算饱和线上的物性。

_Region1(T, P)

_Region2(T, P)

_Region3(rho, T)

_Region4(P, x)

_Region5(s)

_TSat_P(P)

_PSat_T(s)

_Region1和_Region2的输入均是T、P，那么在使用时要预先判断T、P所指示的区域：

from iapws importiapws97#>>>> 区域1计算示例 <<<