ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 544-550
УДК 66.011;541.127;547.598.5
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ БАЗЫ ДАННЫХ: ОТ ТАБЛИЦЫ К ИНТЕРАКТИВНЫМ ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСАМ И "ОБЛАЧНЫМ"
ШАБЛОНАМ
© 2015 г. В. Ф. Очков, Е. Е. Устюжанин, Ч. К. Ко, В. В. Шишаков
Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт" Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: evgust@gmail.com Поступила в редакцию 18.11.2014 г.
Выполнен анализ Интернет-ресурсов, содержащих информацию о теплофизических свойствах технически важных веществ. Рассмотрены базы данных, размещенные в Интернете рядом организаций (ОИВТ РАН, Стандартинформ, НИСТ, ИТФ СО РАН и др.). Предложены пользовательские функции и облачные шаблоны для расчета теплофизических свойств веществ и решения некоторых прикладных задач.
DOI: 10.7868/S0040364415040195
ВВЕДЕНИЕ
Рассмотрим характеристики информации, которая относится к теплофизическим свойствам веществ и размещена на ряде веб-сайтов, на примере, связанном с проектированием энергоустановки (ЭУК). В этом примере пользователь-проектировщик должен вычислять значения энергетических критериев Z (термический КПД, мощность турбин, подводимая теплота и другие параметры цикла) применительно к ЭУК, используя собственную программу, которая именуется как Соёе_1(Д У), где У = (у, I = 1...Ж) — задаваемые величины, в том числе (рл, — давление и температура на входе в первую турбину и термодинамические свойства Я<.ус1е = (р, ,, V, Н, ...) рабочего тела в заданных точках цикла.
Пусть программа Соёе_1(Д У) создана в среде Ма&саё. Значения Ясус1е берутся пользователем, как правило, из внешнего источника. В настоящее время типичным источником информации является веб-сайт одной из организаций (например, Стандартинформ, НИСТ [1], ИТФ СО РАН, ОИВТ РАН [2] и др.), где размещены наиболее известные ресурсы с текстовыми файлами. Это значит, что ресурс не использует компьютерную программу или ехе-Ше, вычисляющие свойства по математическим формулам. Файлы ресурсов содержат табулированные свойства Я, = (р, Н, ж, ...) при фиксированных аргументах (р, ,) для рабочего вещества (Я134а, Н2О и др.). Обращаясь к ресурсу, пользователь получает табличные значения Я,, ориентируясь на параметры У. Для определения
Ясус1е необходимо выполнить многошаговую интерполяцию табличных значений Я, и многократное введение этой информации в программу.
Опыт авторов [3—6] показывает, что актуальным является поиск программного обеспечения (ПО), позволяющего адаптировать табулированные значения Я, для проектирования ЭУК. Рассмотрим созданный недавно Интернет-ресурс, опирающийся на массив Я, = (р, р, ,) данных о плотности вещества в газовой фазе (см. рис. 1).
На первом этапе была разработана программа Соёе_2(р,У). Она позволяет вычислить значение р на основе метода, предназначенного для двойной сплайн-интерполяции массива Я, и содержит: а) Ма&саё-функцию р(р, ,); б) значенияр, лежащие в интервале от 1 до 300 бар (см. рис. 1); в) значения температуры , в интервале от —50 до 400°С (первая строка массива, рис. 1); г) таблицу плотности р; д) встроенную функцию Ма&саё в форме с8р1ат(Д Z) (см. рис. 1), выполняющую сплайн-интерполяцию в оговоренных граничных условиях.
Программа Соёе_2(р, У) включает граничные условия У = (р, ,, ...), представляющие собой параметры (р, ,), вводимые пользователем, граничные аргументы (р, ,)тах и (р, 0тш, а также другие параметры.
На рис. 1 показана часть программы Соёе_2(р, У). Здесь можно видеть Ма&саё-функцию р(р, ,), которая обеспечивает выбор единиц измерения, ввод заданных значений и, например и = и(р = 250 бар, , = 175°С) вычисление р и вывод результата на экран. На рис. 1 вид-
p(p,t)
"Сплайн-интерполяция табличных данных"
'"p, bar\t, °C'' -50 0 50 100 150 200 300 400 N
1 1.563 1.275 1.078 0.932 0.8226 0.7356 0.6072 0.517
50 83.79 65.2 53.96 46.25 40.57 36.18 29.8 25.37
100 175.6 131.4 107.1 91.13 79.66 70.92 58.37 49.71
200 340.3 253.7 205.4 174.3 152.2 135.6 111.8 95.41
ч 300 449.3 350.8 288.6 246.7 216.4 193.4 160.3 137.4 у
x ^
bar
У ^
t
273.15 "Приведение аргументов к безразмерному виду"
(X ^ submatrix(M,1,rows(M) — 1,0,0) "Боковик таблицы — р") [Y4 ^ (submatrix(M,0,0,1,cols(M) - 1))T "Шапка таблицы - t"]
return "р и/или t вне диапазона" if х < min(X) v х > max(X) v у < min(Y) v у > max(Y) (Z ^ submatrix(M, 1, rows(M) — 1,1,cols(M) — 1) "Содержание таблицы — p" ) for i e 0.. cois(Z) — 1 "Формирование дополнительной строки"
Zvi ^ interp(cspline(X,Z®), X,Z®, x)
interp(cspline(Y,Zv), Y, Zv, y)
p(250bar, 175°C) := 178
m3
kg
m
Рис. 1. Mathcad-поле ОИ-ресурса № 1.
ны два варианта значений: в европейских и американских единицах измерения. Код позволяет выбрать и другие единицы измерения. Предложенный метод вычислений с применением единиц является одной из положительных особенностей Ма&саё [3, 4], существенно облегчающей расчеты и устраняющей возможные ошибки.
ОТКРЫТЫЕ ИНТЕРАКТИВНЫЕ ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ
На втором этапе был создан открытый интерактивный (ОИ) Интернет-ресурс № 1 с использованием веб-сайта "Форум Ма&саё" и удаленного сервера. Вычислительная часть (Ма&саё-поле), которая включена в ОИ-ресурс, основывается на программе Соёе_2(р, У). В общем случае методической базой ОИ-ресурса № 1 является открытый интерактивный алгоритм [6]. Авторами разработана определенная технология и использован ряд инструментов для создания ОИ-алгоритма (рис. 2). ОИ-алгоритм 1 содержит следующие компоненты: часть 2, связанную с формулами для вычисления плотности р по заданным параметрам и и соответствующим Ма&саё-кодом 7; текстовую часть 3, включающую справочную информацию о плот-
ности р вещества (массив (p, p, ^-данных, химическую формулу вещества, комментарии к математическим формулам и описание метода расчета плотности р, а также другую информацию); часть 4, связанную с информатикой и Интернет-технологиями.
Отметим, что ОИ-ресурс № 1 предоставляет клиенту ряд опций, включая вычисление свойства р при введении данных U, считывание текстовой информации, в том числе массива (p, p, О-данных, копирование математических формул или кода в целом. Указанные опции выполняются на удаленном сервере, а не на персональном компьютере (ПК) пользователя. Важную роль при формировании ОИ-ресурса № 1 играют пакеты "Mathcad Calculation Server" 8 и "Microsoft Expression Web 3" 9 (рис. 2).
С помощью опции "копирование" клиент может сделать копию программы Code_2(p,Y), поместить ее в индивидуальный код Code_1(Z, Y) и затем выполнять расчеты плотности на ПК, используя функцию p(p, t). Опция копирования отсутствует в известных базах данных (ОИВТ РАН [2], Стандартинформ и др.), которые оперируют закрытыми программами (exe-files).
2 3 4
6 _ 7 _ \l;il ln'.'i(] g
mÉI 1 9
4 10 10 11
можных ошибок и опечаток. Так, график (рис. 3) построен с помощью деформированной матрицы, которая получена путем замены 107.1 кг/м3 (рис. 1) на смещенное значение 170.1 кг/м3.
Во-вторых, пользователю, знакомому с Mathcad в общих чертах, можно легко заменить массив (р, p, ^-данных, входящих в копию программы Code_2(p, Y), на собственный массив прямоугольной формы, содержащий аналогичные данные. В итоге пользователь может выполнять теп-лофизические расчеты применительно к ЭУК, при этом значения р будут вычисляться на основе упомянутого метода сплайн-интерполяции и модифицированного массива (р, p, ^-данных.
ОИ-ресурс № 1 классифицируется как "пользовательская функция" (a client function). Начиная с 2010 г. подобные функции размещаются не только на "Форуме Mathcad", но и на других вебсайтах, связанных с теплофизическими расчетами.
1
Рис. 2. Источники информации и инструменты, используемые для создания открытого интерактивного алгоритма: 1 — ОИ-алгоритм; 2 — Mathcad-поле алгоритма; 3 — текстовая часть; 4 — часть, связанная с информатикой и Интернет-технологиями; 5 — шаблон, 6 — Mathcad-инструменты; 7 — Mathcad-программа; 8 — пакет "Mathcad Calculation Server"; 9 — пакет "Microsoft Expression Web 3"; 10 — ПК пользователя; 11 — Интернет; 12 — удаленный сервер; 13 — индивидуальная программа пользователя.
Рис. 3. Смещенная поверхность p(p, t).
Наряду с рассмотренными опциями ОИ-ре-сурс № 1 предоставляет дополнительные возможности. Во-первых, можно построить поверхность по функции двух аргументов p(p, t) с использованием 3D-графики в среде Mathcad. Подобный график функции полезно строить не только для визуального анализа поведения вещества при изменении его параметров, но и для фиксации воз-
ВАРИАНТЫ ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ ФУНКЦИЙ
Рассмотрим другой вариант ОИ-ресурса № 2, который был разработан авторами в следующей форме. Этот вариант опирается на программу Code_2(p, Y), размещается на удаленном сервере, принадлежащем НИУ "МЭИ", и предоставляет пользователю ряд опций, в том числе "вычисление свойства р" в следующей форме. Если в предыдущем примере необходимо рассчитать значение плотности р(р, t) при входных параметрах U(p = 20 МПа, t = 350°C), то пользователь вставляет служебный адрес или "ссылку" (http:// twt.mpei.ac.ru/TTHB/Ro-p-t.xmcdz) в программу Code_1(Z, Y). На рис. 4 показано Mathcad-поле ОИ-ресурса № 2, где вверху размещены параметры U, вычисленная плотность, а также ссылка на "облачную" функцию р(р, t). Внизу рис. 4 приведен 2D-график, построенный с помощью функции р(р, t) при фиксированных значениях U без упомянутой выше опечатки. Под графиком представлен вариант для температуры t = = 500° С (это значение находится вне условий Y (рис. 1)) и соответствующее сообщение об ошибке "out of range".
Подчеркнем, что графики (рис. 3, 4) поясняют распространенные термины "живые таблицы" по отношению к таблице, которая представляет собой массив Rt = (р, p, t) и входит в Code_2(p, Y), и "живые книги" по отношению к электронным книгам, которые снабжены ОИ-ресурсами с целью представления таблиц, размещенных в книге, в виде графиков.
Разработанная авторами технология предусматривает такой алгоритм: пользователь обра-
щается к ссылке, ОИ-ресурс № 2 автоматически отправляет параметры U на удаленный ил
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.