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🔬 Especificaciones Técnicas - Sistema de Fluidos CtrEditor
📋 Resumen Técnico
Este documento proporciona las especificaciones técnicas detalladas del sistema de gestión de fluidos de CtrEditor, incluyendo algoritmos de cálculo, especificaciones de rendimiento, límites del sistema y detalles de implementación para desarrolladores.
🧮 Algoritmos de Cálculo
Cálculo de Densidad por Tipo de Fluido
Agua
// Densidad del agua en función de la temperatura (kg/m³)
public static double WaterDensity(double temperatureC)
{
// Ecuación polinomial para agua pura (0-100°C)
var t = temperatureC;
return 1000.0 - 0.0178 * t - 0.0000676 * t * t + 0.0000001 * t * t * t;
}
Jarabe de Sacarosa
// Densidad del jarabe basada en concentración Brix y temperatura
public static double SyrupDensity(double brix, double temperatureC)
{
// Correlación estándar para jarabes de sacarosa
var densityAt20C = 1000.0 + (brix * 3.86) + (brix * brix * 0.0166);
// Corrección por temperatura (kg/m³/°C)
var tempCorrection = (temperatureC - 20.0) * (-0.3);
return densityAt20C + tempCorrection;
}
Soda Cáustica (NaOH)
// Densidad de solución de NaOH en función de concentración y temperatura
public static double CausticSodaDensity(double concentrationPercent, double temperatureC)
{
// Para NaOH al 50% (concentración típica industrial)
var baseDesity = 1530.0; // kg/m³ a 20°C
// Corrección por temperatura
var tempCorrection = (temperatureC - 20.0) * (-0.8);
return baseDensity + tempCorrection;
}
Cálculo de Viscosidad
Viscosidad de Jarabes (Ecuación de Arrhenius)
public static double SyrupViscosity(double brix, double temperatureC)
{
// Parámetros de la ecuación de Arrhenius para sacarosa
var A = 1.68e-6; // Factor pre-exponencial
var B = 0.0295; // Dependencia de concentración
var Ea = 16500.0; // Energía de activación (J/mol)
var R = 8.314; // Constante de gas (J/mol·K)
var T = temperatureC + 273.15; // Temperatura absoluta (K)
// Viscosidad base del agua
var waterVisc = 0.001 * Math.Exp(1301.0 / T - 1.5);
// Factor de concentración
var concFactor = Math.Exp(B * brix);
// Factor de temperatura
var tempFactor = Math.Exp(Ea / (R * T));
return waterVisc * concFactor * tempFactor;
}
Algoritmo de Mezcla Gradual
Interpolación Ponderada para Propiedades
public class GradualMixingAlgorithm
{
public static FluidProperties CalculateMixture(
FluidProperties primary,
FluidProperties secondary,
double mixingProgress) // 0.0 a 1.0
{
return new FluidProperties
{
FluidType = FluidType.Mix,
// Interpolación lineal de concentración
ConcentrationBrix = Lerp(
primary.ConcentrationBrix,
secondary.ConcentrationBrix,
mixingProgress),
// Mezcla térmica (conservación de energía)
Temperature = ThermalMixing(
primary.Temperature, primary.Density,
secondary.Temperature, secondary.Density,
mixingProgress)
};
}
private static double ThermalMixing(
double temp1, double density1,
double temp2, double density2,
double ratio)
{
// Capacidad calorífica específica (J/kg·K)
var cp1 = 4186.0; // Agua/jarabe
var cp2 = 4186.0;
// Balance de energía térmica
var energy1 = (1.0 - ratio) * density1 * cp1 * temp1;
var energy2 = ratio * density2 * cp2 * temp2;
var totalMass = (1.0 - ratio) * density1 + ratio * density2;
return (energy1 + energy2) / (totalMass * cp1);
}
}
⚙️ Especificaciones de Rendimiento
Límites del Sistema
Rangos Operativos
| Parámetro | Mínimo | Máximo | Unidad | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Temperatura | -5.0 | 120.0 | °C | Rango industrial estándar |
| Presión | 0.1 | 10.0 | bar | Sistemas de baja-media presión |
| Concentración Brix | 0.0 | 100.0 | % | Sacarosa en solución acuosa |
| Nivel de Tanque | 0.0 | 10.0 | m | Tanques industriales típicos |
| Volumen | 0.0 | 100,000 | L | Desde laboratorio hasta planta |
| RPM de Mezcla | 0.0 | 100.0 | RPM | Mezcladores industriales |
Precisión de Cálculos
| Cálculo | Precisión | Tolerancia |
|---|---|---|
| Densidad | ±0.1% | ±1.0 kg/m³ |
| Viscosidad | ±2.0% | Dependiente de fluido |
| Temperatura de Mezcla | ±0.1°C | Conservación energética |
| Concentración Final | ±0.5% | Balance de masa |
Rendimiento Computacional
Tiempos de Respuesta Objetivo
// Benchmarks de rendimiento
public class PerformanceSpecs
{
public static readonly TimeSpan FluidCalculation = TimeSpan.FromMilliseconds(1);
public static readonly TimeSpan MixingUpdate = TimeSpan.FromMilliseconds(5);
public static readonly TimeSpan TankSimulation = TimeSpan.FromMilliseconds(10);
public static readonly TimeSpan NetworkUpdate = TimeSpan.FromMilliseconds(50);
}
Uso de Memoria
- FluidProperties: ~200 bytes por instancia
- osHydTank: ~8 KB por tanque (incluyendo UI)
- Simulación Completa: <100 MB para 1000 componentes
🔧 Detalles de Implementación
Estructura de Datos Optimizada
FluidProperties - Implementación Interna
[Serializable]
public sealed class FluidProperties : INotifyPropertyChanged, ICloneable
{
// Campos privados para rendimiento
private FluidType _fluidType = FluidType.Water;
private double _concentrationBrix = 0.0;
private double _temperature = 20.0;
// Cache para propiedades calculadas
private double? _cachedDensity;
private double? _cachedViscosity;
private SolidColorBrush? _cachedColor;
// Invalidación de cache
private void InvalidateCache()
{
_cachedDensity = null;
_cachedViscosity = null;
_cachedColor = null;
}
// Propiedades con lazy evaluation
public double Density
{
get
{
if (!_cachedDensity.HasValue)
_cachedDensity = CalculateDensity();
return _cachedDensity.Value;
}
}
}
Optimizaciones de Cálculo
Lookup Tables para Funciones Costosas
public static class FluidLookupTables
{
// Tabla pre-calculada para viscosidad de jarabes
private static readonly double[,] SyrupViscosityTable =
PrecomputeSyrupViscosity();
private static double[,] PrecomputeSyrupViscosity()
{
var table = new double[101, 121]; // Brix × Temperatura
for (int brix = 0; brix <= 100; brix++)
{
for (int temp = 0; temp <= 120; temp++)
{
table[brix, temp] = CalculateExactSyrupViscosity(brix, temp);
}
}
return table;
}
public static double GetSyrupViscosity(double brix, double temperature)
{
// Interpolación bilineal en la tabla
return BilinearInterpolation(SyrupViscosityTable, brix, temperature);
}
}
Gestión de Estados de Mezcla
Máquina de Estados para Mezcla
public class MixingStateMachine
{
private MixingState _currentState = MixingState.Idle;
private DateTime _stateStartTime = DateTime.Now;
private double _mixingProgress = 0.0;
public void Update(TimeSpan deltaTime)
{
switch (_currentState)
{
case MixingState.Idle:
// No action required
break;
case MixingState.Active:
UpdateActiveMixing(deltaTime);
break;
case MixingState.Gradual:
UpdateGradualMixing(deltaTime);
break;
}
}
private void UpdateGradualMixing(TimeSpan deltaTime)
{
var mixingRate = CalculateMixingRate();
_mixingProgress += mixingRate * deltaTime.TotalSeconds;
if (_mixingProgress >= 1.0)
{
CompleteMixing();
TransitionTo(MixingState.Idle);
}
}
}
📊 Validación y Testing
Test Cases Críticos
Conservación de Masa
[Test]
public void TestMassConservation()
{
var tank = new osHydTank()
{
CrossSectionalArea = 1.0,
PrimaryFluid = new FluidProperties
{
FluidType = FluidType.Water,
Temperature = 20.0
}
};
var initialMass = tank.CurrentVolumeL * tank.PrimaryFluid.Density / 1000.0;
// Agregar fluido secundario
tank.SecondaryFluid = new FluidProperties
{
FluidType = FluidType.Syrup,
ConcentrationBrix = 65.0,
Temperature = 85.0
};
// Simular mezcla completa
tank.MixingState = MixingState.Active;
SimulateMixing(tank, TimeSpan.FromMinutes(10));
var finalMass = tank.CurrentVolumeL * tank.PrimaryFluid.Density / 1000.0;
// Verificar conservación de masa (±0.1%)
Assert.AreEqual(initialMass, finalMass, initialMass * 0.001);
}
Conservación de Energía Térmica
[Test]
public void TestThermalEnergyConservation()
{
// Mezcla de agua caliente y fría
var hotWater = new FluidProperties
{
FluidType = FluidType.Water,
Temperature = 80.0
};
var coldWater = new FluidProperties
{
FluidType = FluidType.Water,
Temperature = 20.0
};
// Mezcla 50/50
var mixture = hotWater.MixWith(coldWater, 0.5);
// Temperatura esperada: ~50°C
Assert.AreEqual(50.0, mixture.Temperature, 0.1);
}
Benchmarks de Rendimiento
Stress Test de Simulación
[Test]
[Category("Performance")]
public void StressTest_1000Tanks()
{
var tanks = new List<osHydTank>();
var stopwatch = Stopwatch.StartNew();
// Crear 1000 tanques
for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
tanks.Add(CreateRandomTank());
}
stopwatch.Stop();
Assert.Less(stopwatch.ElapsedMilliseconds, 5000); // <5 segundos
// Simular un ciclo completo
stopwatch.Restart();
foreach (var tank in tanks)
{
tank.UpdateFluidProperties();
tank.CalculateFlowRates();
}
stopwatch.Stop();
Assert.Less(stopwatch.ElapsedMilliseconds, 100); // <100ms por ciclo
}
🔒 Consideraciones de Seguridad y Robustez
Validación de Entrada
Sanitización de Parámetros
public static class InputValidation
{
public static double ValidateTemperature(double temp, string paramName)
{
if (double.IsNaN(temp) || double.IsInfinity(temp))
throw new ArgumentException($"Invalid temperature: {temp}", paramName);
if (temp < -273.15)
throw new ArgumentOutOfRangeException(paramName, "Temperature below absolute zero");
if (temp > 1000.0)
throw new ArgumentOutOfRangeException(paramName, "Temperature too high for system");
return temp;
}
public static double ValidateBrix(double brix, string paramName)
{
if (double.IsNaN(brix) || double.IsInfinity(brix))
throw new ArgumentException($"Invalid Brix value: {brix}", paramName);
return Math.Clamp(brix, 0.0, 100.0);
}
}
Manejo de Errores de Cálculo
Recuperación de Errores Numéricos
public static class SafeCalculations
{
public static double SafeDivision(double numerator, double denominator, double fallback = 0.0)
{
if (Math.Abs(denominator) < 1e-10)
return fallback;
var result = numerator / denominator;
if (double.IsNaN(result) || double.IsInfinity(result))
return fallback;
return result;
}
public static double SafeExponential(double exponent, double maxResult = 1e6)
{
if (exponent > Math.Log(maxResult))
return maxResult;
if (exponent < -50.0) // Underflow protection
return 0.0;
return Math.Exp(exponent);
}
}
📈 Métricas de Calidad del Código
Cobertura de Tests
- Objetivo: >95% cobertura de líneas
- Crítico: 100% para algoritmos de cálculo
- Tests de Integración: Escenarios completos de proceso
Complejidad Ciclomática
- Máximo: 10 por método
- Promedio: <5 por clase
- Refactoring: Automático cuando se exceden límites
Documentación
- XML Documentation: 100% de métodos públicos
- Ejemplos de Uso: Para cada funcionalidad principal
- Diagramas de Flujo: Para algoritmos complejos
🔄 Versionado y Compatibilidad
Evolución del API
Versionado Semántico
- Major: Cambios incompatibles (ej: 1.x → 2.x)
- Minor: Nuevas funcionalidades compatibles (ej: 2.1 → 2.2)
- Patch: Correcciones de bugs (ej: 2.1.0 → 2.1.1)
Migración de Datos
public class FluidDataMigration
{
public static FluidProperties MigrateFromV1(LegacyFluidData legacy)
{
return new FluidProperties
{
FluidType = MapLegacyType(legacy.Type),
Temperature = legacy.TempCelsius,
ConcentrationBrix = legacy.Concentration ?? 0.0
};
}
private static FluidType MapLegacyType(string legacyType)
{
return legacyType.ToLower() switch
{
"water" => FluidType.Water,
"syrup" => FluidType.Syrup,
"cleaning" => FluidType.CausticSoda,
_ => FluidType.Water
};
}
}
Especificaciones Técnicas Detalladas
Versión: 2.0 - Septiembre 2025
Documento de Referencia para Desarrolladores