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        運(yùn)用Python編程計(jì)算減壓孔板孔口直徑的研究

        2021-07-07 08:49:32李云馬慧俊
        工業(yè)用水與廢水 2021年3期
        關(guān)鍵詞:程序

        李云,馬慧俊

        (浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,杭州 310006)

        減壓孔板是一種對(duì)流體動(dòng)壓力進(jìn)行減壓的裝置,在民用建筑消防設(shè)計(jì)中被廣泛使用。GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[1]中7.4.12條規(guī)定:消火栓栓口動(dòng)壓力不應(yīng)大于0.50 MPa;當(dāng)大于0.70 MPa時(shí)必須設(shè)置減壓裝置。GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中8.0.7條規(guī)定:配水管道的布置,應(yīng)使配水管入口的壓力均衡。輕危險(xiǎn)級(jí)、中危險(xiǎn)級(jí)場(chǎng)所中各配水管入口壓力均不宜大于0.40 MPa。為滿足上述條文要求,在目前的工程設(shè)計(jì)中,尤其是高層建筑的設(shè)計(jì),在某一消防系統(tǒng)分區(qū)的低樓層部位常需采用大量的減壓孔板[3],以抵消系統(tǒng)中的超壓。減壓孔板的選取以孔口直徑大小為參照,而孔口直徑計(jì)算公式復(fù)雜,非常規(guī)計(jì)算過(guò)程能夠求解,工程設(shè)計(jì)中常使用第三方軟件或Excel迭代計(jì)算,有些操作略顯繁瑣。

        Python是一種解釋型、面向?qū)ο蟆?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型的交互式高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,目前已被應(yīng)用于Web開(kāi)發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)、人工智能、科學(xué)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)等諸多領(lǐng)域。Python簡(jiǎn)單易用、學(xué)習(xí)成本低,也越來(lái)越被非計(jì)算機(jī)專業(yè)背景的人所接受和應(yīng)用。

        減壓孔板的正確設(shè)置與計(jì)算,是消防設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,因此本文針對(duì)減壓孔板的計(jì)算難點(diǎn),結(jié)合Python編程的計(jì)算功能,編程實(shí)現(xiàn)減壓孔板孔口直徑的快速計(jì)算。

        1 減壓孔板孔口直徑的Python編程計(jì)算

        1.1 減壓孔板水頭損失公式分析

        GB 50974—2014中10.3.1條 及GB 50084—2017中9.3章節(jié)對(duì)減壓孔板的設(shè)置作出了詳細(xì)的要求,要點(diǎn)如下:①應(yīng)設(shè)在直徑不小于50 mm的水平直管段上,前后管段的長(zhǎng)度均不宜小于該管段直徑的5倍;②孔口直徑不應(yīng)小于設(shè)置管道直徑的30%,且不應(yīng)小于20 mm;③應(yīng)采用不銹鋼板材制作。同時(shí),規(guī)范要求減壓孔板的水頭損失[2]按下式計(jì)算:

        式中:Hk為減壓孔板的水頭損失,10-2MPa;Vk為減壓孔板后管道內(nèi)水的平均流速,m/s;g為重力加速度,m/s2;ξ為減壓孔板的局部阻力系數(shù);dk為減壓孔板的孔口計(jì)算內(nèi)徑,mm;dj為管道的內(nèi)徑,mm。

        從公式可知,dk和dj對(duì)水頭損失影響較大。目前,不同規(guī)范中對(duì)dk的取值存在矛盾之處,在GB 50084—2017中是按減壓孔板孔口直徑確定,而GB 50974—2014中規(guī)定按孔口直徑減1 mm確定,考慮到孔板孔口對(duì)流體截面的影響[4-5],建議按GB 50974—2014的取值方式為宜(本文中也是按此取值方式計(jì)算減壓孔板孔口直徑)。

        為正確編程計(jì)算,須分析減壓孔板水頭損失的公式特點(diǎn)。以管徑為DN 150 mm、流量為40 L/s繪制dk—Hk曲線,見(jiàn)圖1。在dk變化時(shí),Hk隨dk的遞增而單調(diào)遞減,即一定的水頭損失下減壓孔板的孔口直徑是唯一值,這也為Python計(jì)算提供了理論條件。

        圖1 減壓孔板水頭損失的d k—H k曲線Fig.1 Head loss d k—H k curve of pressure reducing pore plate

        1.2 減壓孔板孔口直徑計(jì)算的Python編程過(guò)程

        1.2.1 編程原理

        Python編程可充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力,對(duì)減壓孔板的水頭損失公式以dk為未知數(shù)作多次迭代,從而求得合適的孔口直徑。

        對(duì)減壓孔板水頭損失公式作如下調(diào)整:

        式中:△h為減壓孔板水頭損失與目標(biāo)減壓值的差,10-2MPa;h為目標(biāo)減壓值,10-2MPa;其余參數(shù)同減壓孔板水頭損失公式。

        根據(jù)GB 50974—2014中10.3.1條規(guī)定的減壓孔板設(shè)置要點(diǎn),以dk=20 mm為起始值,并以0.1 mm為遞增值迭代計(jì)算上式,△h=0時(shí)dk將有唯一解。為滿足工程計(jì)算精度需要,設(shè)定當(dāng)△h<0第一次出現(xiàn)時(shí)停止迭代運(yùn)算,此時(shí)的dk值就是所求的減壓孔板孔口計(jì)算內(nèi)徑,另附加1 mm即為減壓孔板孔口直徑。

        1.2.2 編程代碼

        運(yùn)行該程序,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算目標(biāo)減壓值下的減壓孔板孔口直徑。在消防設(shè)計(jì)中,偶爾會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)減壓值較大,此時(shí)計(jì)算出的減壓孔板孔口直徑偏小,即不滿足GB 50974—2014中10.3.1條的要求“孔口直徑不應(yīng)小于設(shè)置管段直徑的30%”,需要設(shè)置多組減壓孔板串聯(lián)以滿足減壓要求。為減少該情況出現(xiàn)時(shí)的多次輸入?yún)?shù)操作,將目標(biāo)減壓值均勻分配于每一個(gè)減壓孔板,對(duì)程序代碼進(jìn)一步優(yōu)化,以期實(shí)現(xiàn)程序能自動(dòng)匹配出合適的減壓孔板個(gè)數(shù)并計(jì)算出每個(gè)減壓孔板的孔口直徑,代碼如下:

        運(yùn)行上述代碼,程序會(huì)反復(fù)迭代計(jì)算,在滿足目標(biāo)減壓值的前提下匹配出最少的減壓孔板數(shù)量,并計(jì)算出每個(gè)孔板的孔口直徑。

        2 Python編程計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

        本文以2組試驗(yàn)參數(shù)檢驗(yàn)程序的運(yùn)行,試驗(yàn)參數(shù)分別為:①管徑為DN 150 mm,流量為40 L/s,目標(biāo)減壓水頭為10 m;②管徑為DN 150 mm,流量為40 L/s,目標(biāo)減壓水頭為100 m,運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖2。

        圖2 2組試驗(yàn)參數(shù)的程序運(yùn)行結(jié)果Fig.2 Running results of two group test parameters

        另外,將試驗(yàn)參數(shù)同時(shí)用于某軟件計(jì)算及Excel計(jì)算中,Python編程計(jì)算結(jié)果同二者的對(duì)比見(jiàn)表1。

        表1 不同計(jì)算途徑下的減壓孔板孔口直徑比較Tab.1 Comparison of pressure reducing pore plate orifice diameters obtained with different calculation methods

        Python編程計(jì)算結(jié)果與其他2種計(jì)算方式的結(jié)果無(wú)明顯差異,細(xì)微的差值(約1mm)應(yīng)該是減壓孔板計(jì)算內(nèi)徑取值方式及計(jì)算精度不同所致。通過(guò)外部驗(yàn)證其他2種計(jì)算方式的結(jié)果,證明了Python編程計(jì)算方式的可靠性;另外,以Python程序計(jì)算的孔口直徑反向驗(yàn)算減壓孔板的水頭損失,其值與目標(biāo)減壓水頭一致,同樣證明該程序符合計(jì)算要求。

        將減壓孔板孔口直徑計(jì)算程序發(fā)布后,會(huì)生成EXE可執(zhí)行文件,可將該編程成果供相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員在其他電腦上使用。Python編程計(jì)算在一次參數(shù)輸入后能準(zhǔn)確匹配出合適的減壓孔板數(shù)量,快速便捷;但某軟件及Excel計(jì)算時(shí),需另行單獨(dú)計(jì)算出目標(biāo)減壓值均分給多個(gè)減壓孔板后的新減壓值,再重算孔口直徑,計(jì)算過(guò)程冗余,操作不便。

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1)計(jì)算機(jī)編程的應(yīng)用逐漸滲入社會(huì)生活的方方面面,而Python作為一類簡(jiǎn)單易學(xué)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,更易被非計(jì)算機(jī)專業(yè)的工程設(shè)計(jì)人員所接受,將其合理利用則能在某些方面解放人工勞動(dòng),提高工作效率。

        (2)通過(guò)Python編程,實(shí)現(xiàn)了減壓孔板孔口直徑的快速計(jì)算,對(duì)大目標(biāo)減壓值情況下的多級(jí)減壓孔板串聯(lián)計(jì)算能一次性完成,大大減少設(shè)計(jì)人員的工作量和避免人為計(jì)算失誤,提高孔口直徑計(jì)算的準(zhǔn)確率。

        (3)目前該程序仍有不足,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)多組目標(biāo)減壓值時(shí)的一次性參數(shù)輸入和計(jì)算,這也是接下來(lái)程序優(yōu)化需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

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