運(yùn)用Python編程計(jì)算減壓孔板孔口直徑的研究

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?、?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型的交互式高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，目前已被應(yīng)用于Web開發(fā)、軟件開發(fā)、人工智能、科學(xué)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)等諸多領(lǐng)域。Python簡單易用、學(xué)習(xí)成本低，也越來越被非計(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)算過程冗余，操作不便。

3 結(jié)語

（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作為一類簡單易學(xué)的計(jì)算機(jī)語言，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，這也是接下來程序優(yōu)化需要解決的重點(diǎn)問題之一。