用VR技術(shù)展示水泵水輪機流態(tài)特性

程永光，劉 輝，唐茂嘉，楊志炎，胡棟樑，龔 睿

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality)是一種可以使人以沉浸的方式進入和體驗人為創(chuàng)造的虛擬世界的計算機仿真技術(shù)[1]。近年來VR技術(shù)已逐漸走向成熟并被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域之中，例如，在水利領(lǐng)域中就已有一定的應(yīng)用：胡少軍等利用VR技術(shù)初步構(gòu)建了渠系仿真系統(tǒng)，通過實踐證明了VR技術(shù)的運用能達到預(yù)期的漫游、 查詢以及交互等目的[2]。朱孟偉研究了VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)在艦船航行軌跡中的應(yīng)用，使設(shè)置的柵格疏密值更加符合航行軌跡規(guī)劃要求，所得到的航行軌跡更加合理[3]。詹平等開發(fā)了一種水電站廠房VR虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，使用HTC Vive設(shè)備作為交互外設(shè)，探索了VR技術(shù)在水電領(lǐng)域中的運用，實現(xiàn)了VR模擬培訓(xùn)等功能，提高了水電站廠房設(shè)計及運行維護的效率[4]。

抽水蓄能電站是目前電網(wǎng)規(guī)模最大且高效的調(diào)節(jié)和蓄能手段，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等重要功能。根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的要求，水泵水輪機需要在水泵工況(抽水)與水輪機工況(發(fā)電)之間頻繁快速轉(zhuǎn)換，在過渡過程中其工況多達20余種。如水泵水輪機在抽水過程中突然斷電，其工作點將沿著特性曲線，從水泵工況開始，歷經(jīng)水泵制動工況、水輪機工況、水輪機制動工況，甚至反水泵工況，流態(tài)復(fù)雜多變[5]。其中，在S形區(qū)域，某一單位轉(zhuǎn)速可能對應(yīng)多個單位流量及單位力矩，更給水泵水輪機帶來了諸多不穩(wěn)定性問題[6]。水泵水輪機在各個工況的變化過程中，其效率特性、壓力脈動特性、空化特性等均會發(fā)生明顯變化，而這些特性的變化實質(zhì)上均與流態(tài)有關(guān)，流態(tài)的變化是引起這些變化發(fā)生的根本原因，因此了解水泵水輪機內(nèi)部流態(tài)的變化具有十分重要的意義。

20世紀(jì)60年代，隨著計算機技術(shù)的不斷提高，計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)迅速發(fā)展，現(xiàn)已在諸多領(lǐng)域有較成熟的運用[7]。目前，眾多學(xué)者運用CFD方法對水泵水輪機的流態(tài)特性開展了非常多的研究。然而，當(dāng)前對于計算結(jié)果的后處理局限于靜態(tài)的二維圖像，具有不夠直觀生動的缺點，如參考文獻[8-11]。為了探尋此問題的解決方法，本文主要論述了一種基于EnSight的水泵水輪機流態(tài)虛擬現(xiàn)實展示方法，并以某水泵水輪機為例，對其幾個典型的工作點流態(tài)進行了分析，實踐證明此種運用VR技術(shù)的后處理方法能做到生動形象地反映水泵水輪機內(nèi)部流場信息。

1 基于EnSight的VR實現(xiàn)方法

1.1 EnSight概述

EnSight作為一款后處理軟件，性能十分卓越，它的顯示技術(shù)、動畫功能、大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理能力等均處于行業(yè)領(lǐng)先的地位。EnSight軟件的應(yīng)用范圍包括 CFD、 FEA、碰撞、流體力學(xué)、 SPH等各個領(lǐng)域，十分廣泛，為眾多工程師和科研工作者提供了一種高性能的圖形后處理方案，能幫助分析各種復(fù)雜的體系與流程。另外EnSight還支持虛擬現(xiàn)實的顯示方式，可讓分析人員借助虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)更加直觀準(zhǔn)確的獲取信息，提供了一種不同于傳統(tǒng)二維平面顯示的先進可視化方式，這是目前眾多其他后處理工具所不具備的，基于此，本研究采用EnSight軟件作為后處理與實現(xiàn)VR顯示的工具。

1.2 EnSight接口介紹

EnSight作為專用的科學(xué)可視化平臺，數(shù)據(jù)接口豐富，可以從大多數(shù)仿真工具中讀取并可視化數(shù)據(jù)，除ANSYS之外，EnSight還具有AcuSolve、ADINA、Airpak、ABAQUS、ADAMS等數(shù)十款其他計算力學(xué)軟件的數(shù)據(jù)接口。對這些商業(yè)軟件，研究者可在EnSight中直接讀取計算數(shù)據(jù)，創(chuàng)建和傳達清晰、直觀的仿真結(jié)果。同時，EnSight還具備自己的專有數(shù)據(jù)接口文件格式：EnSight5、EnSight6和EnSight Case Gold。以EnSight Case Gold格式為例，它需要的數(shù)據(jù)文件包含以下3類：①案例配置文件(encase文件)。該文件給出了數(shù)據(jù)版本的聲明以及幾何模型文件和數(shù)據(jù)文件的配置；②幾何模型文件(geo文件)。文件中包含了模型所有的坐標(biāo)及節(jié)點等信息；③數(shù)個數(shù)據(jù)文件(dat文件)。每個所計算的物理量單獨組成一個數(shù)據(jù)文件，此類型文件可以包含各類自定義的計算結(jié)果[12]。

1.3 基于EnSight的VR實現(xiàn)方法

EnSight支持洞穴式、墻壁式和頭戴式3種VR顯示方式，本研究采用HTC Vive頭戴式虛擬現(xiàn)實顯示器。

任何許可證級別的EnSight用戶都可使用HTC Vive虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要EnSight ANSYS R19.2 / 10.2.6a或更高版本，Windows 7或更高版本以及 Steam / SteamVR 系統(tǒng)的安裝，同時也要求計算機在最低配置要求之上。滿足以上條件時，可按下列步驟實現(xiàn)VR顯示：

(1)調(diào)試好VR設(shè)備所需環(huán)境。

(2)在計算機中創(chuàng)建一個環(huán)境變量CEI_INPUT=openvr。

(3)啟動EnSight，正確佩戴設(shè)備，則在視線范圍內(nèi)，可以看到一個3D場景在附近。

(4)同時，HTC Vive設(shè)備的操控手柄也是可見的，左手柄可以用來移動虛擬現(xiàn)實場景，右手柄可用來移動光標(biāo)工具、直線工具或平面工具等。

(5)在EnSight的編輯菜單中可進行對虛擬現(xiàn)實視圖體的位置和大小的個性化設(shè)置以及虛擬現(xiàn)實注釋平面的相關(guān)設(shè)置。

2 水泵水輪機流態(tài)VR展示

2.1 數(shù)值模型和條件

2.1.1 計算體型參數(shù)

本文以國內(nèi)某抽水蓄能電站水泵水輪機為研究對象，建立三維水力體型，整體過流部件包含蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管4個部分，如圖1所示。主要幾何參數(shù)如表1所示，其中，D1為水泵水輪機在水輪機工況下的轉(zhuǎn)輪進口直徑，D2為轉(zhuǎn)輪出口直徑，Zb為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，nsv為固定導(dǎo)葉數(shù)，ngv為活動導(dǎo)葉數(shù)，GVO為導(dǎo)葉開度。

2.1.2 湍流模型及邊界條件

計算采用商業(yè)軟件ANSYS FLUENT，基于RNGk-ε模型在模擬水輪機的流動方面較好的效果，且廣泛被應(yīng)用，因此湍流模型選用RNGk-ε模型。

邊界條件：進行模擬設(shè)置時，給定蝸殼進口壓力，尾水管出口流量、機組轉(zhuǎn)速，固體壁面設(shè)為無滑移邊界。計算水泵、水泵制動、水輪機、水輪機制動、反水泵5個工況點。

2.1.3 網(wǎng)格及時間步長

使用ANSYS ICEM CFD軟件對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。蝸殼與導(dǎo)葉區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，轉(zhuǎn)輪與尾水管區(qū)域則采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格。最終，整體網(wǎng)格數(shù)達到183萬。

數(shù)值計算時選擇SIMPLEC算法實現(xiàn)速度場和壓力場的耦合迭代求解，壓力項選擇Second Order，其他各項選擇一階迎風(fēng)格式。首先對該水泵水輪機進行三維定常數(shù)值模擬，在定常模擬達到穩(wěn)定之后，將定常模擬結(jié)果作為非定常模擬的初始值，通過較長時間非定常計算，最后得到不同工況的非定常計算結(jié)果。非定常計算的時間步長為0.001 s，轉(zhuǎn)輪每旋轉(zhuǎn)一周計算240個時間步長，收斂殘差目標(biāo)值為0.000 1。

2.2 計算結(jié)果后處理及VR顯示

計算完畢后，用EnSight進行后處理?？捎肊nSight直接打開Fluent的cas和dat文件，也可在Fluent的file-export-solution data中選擇所需數(shù)據(jù)并輸出EnSight Case Gold格式文件，所輸出的文件包含一個案例配置文件(encas文件) 、一個幾何模型文件(geo文件) 以及所選擇的數(shù)個數(shù)據(jù)文件。用EnSight進行后處理時，采用輸出EnSight Case Gold格式文件的方式處理計算數(shù)據(jù)兼容性更好，因此本研究選擇采用此種方式。

在本研究過程中，所涉及的數(shù)據(jù)主要有流速、壓力等，數(shù)據(jù)文件分為標(biāo)量文件(scl文件)和矢量文件(vel文件)兩類，其中，流速數(shù)據(jù)分為絕對流速與相對流速，絕對流速為相對流速與牽連速度的矢量疊加，分析水泵水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流的流態(tài)特性時需要研究水流在葉道內(nèi)的相對流動，即相對于葉片的運動，因此不能采用絕對速度文件，而在數(shù)據(jù)輸出時默認(rèn)不能輸出相對速度矢量數(shù)據(jù)文件，僅有3個方向相對速度分量的標(biāo)量數(shù)據(jù)文件，無法生成流線。但從EnSight的用戶手冊中可查得這兩種類型數(shù)據(jù)文件的ASCII構(gòu)成形式，用C語言或Python等計算機語言編寫簡單程序，則可由已知的x、y、z3個方向的相對速度分量標(biāo)量數(shù)據(jù)文件組成所需要的相對速度矢量數(shù)據(jù)文件。在輸出EnSight Case Gold格式文件之后，用EnSight選擇encas文件并打開，即可讀取所輸出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)計算結(jié)果的可視化。EnSight具有非常多的后處理功能，與之配套的還有EnVision 等軟件，能為后處理結(jié)果的查看與交流提供更加方便的途徑。在本研究中，通過在EnSight創(chuàng)建粒子追蹤，可顯示出水泵水輪機內(nèi)各處流線分布，通過剖面、等值面、部件著色等功能，能做到顯示和查看各處的壓力大小等信息，同時，按照前文所述步驟操作，則可用VR設(shè)備對計算結(jié)果進行細(xì)致觀察。

如圖2所示，在HTC Vive虛擬現(xiàn)實顯示器中，觀察者可以看到與桌面上EnSight顯示內(nèi)容同步的3D場景，通過計算機創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，觀察者可以實現(xiàn)“走進”水泵水輪機內(nèi)部，細(xì)致入微地查看水泵水輪機任意位置的流線分布、速度大小、轉(zhuǎn)輪受力等流場信息，切身感受水泵水輪機內(nèi)各工況流態(tài)變化，清楚地了解每一細(xì)節(jié)的流態(tài)特征。

圖2 虛擬現(xiàn)實設(shè)備及水泵水輪機流態(tài)觀測示意圖

傳統(tǒng)的后處理可視化局限于計算機顯示器的平面視窗，而水泵水輪機是復(fù)雜的三維金屬結(jié)構(gòu)，再加上快速旋轉(zhuǎn)，不少工況下水流運動紊亂，用一個一個的二維切面或平面圖片進行觀察或展示，難以獲得形象、生動的復(fù)雜三維流態(tài)，且受固體阻擋，容易漏看一些局部流態(tài)。然而，運用VR技術(shù)，研究者可以身臨其境地進入三維流態(tài)內(nèi)，四處隨意觀察，既清晰、形象、直觀，也可防止視線死角，發(fā)現(xiàn)一些之前不易發(fā)現(xiàn)的細(xì)部流態(tài)，加深對水泵水輪機能量轉(zhuǎn)換機理的認(rèn)識。

2.3 水泵水輪機典型工作點流態(tài)

本文選取了所計算水泵水輪機5個不同工況下典型工作點的流態(tài)進行展示與分析，各工作點參數(shù)如表2所示。其中，n11表示單位轉(zhuǎn)速，Q11表示單位流量，定義式分別如下：

表2 各工作點參數(shù)

(1)

(2)

式中：H表示水輪機工作水頭；n表示水輪機轉(zhuǎn)速；Q表示水輪機流量。

2.3.1 水泵工況

當(dāng)水泵水輪機處于水泵工況時，轉(zhuǎn)輪以水泵方向旋轉(zhuǎn)，向上游抽水，水流從尾水管流向蝸殼。當(dāng)其在水泵工況的高效點附近運行時，轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉以及尾水管之中的流態(tài)均比較平順，葉道內(nèi)流線與葉片基本平行，水流入流角與葉片進口角近似相等，入流條件較好，流動的相對速度從轉(zhuǎn)輪的進口處到出口處逐漸增大。如圖3(a)、(b)所示，各部位流態(tài)較為穩(wěn)定，導(dǎo)葉部位有輕微的脫流，尾水管內(nèi)也僅有局部擾動現(xiàn)象，沒有明顯的渦存在，流態(tài)好，機組運行穩(wěn)定。當(dāng)抽水流量減小時，水泵水輪機偏離設(shè)計工況，效率明顯下降，流動不均勻，出現(xiàn)流動分離、旋轉(zhuǎn)失速等現(xiàn)象，此時的流動特性在之前已有較多相關(guān)的研究，如參考文獻[5]。

圖3 水泵工況某工作點(點1)流態(tài)圖

2.3.2 水泵制動工況

在水泵水輪機運行過程中若出現(xiàn)突然斷電，則水泵水輪機會進入水泵制動工況，這是一個特殊的工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動方向仍與水泵工況相同，而水流流向從水泵方向變?yōu)樗啓C方向，由蝸殼流向尾水管。此時，水泵水輪機內(nèi)流態(tài)復(fù)雜，轉(zhuǎn)輪葉道內(nèi)大部分被堵塞。當(dāng)水流流經(jīng)導(dǎo)葉區(qū)域進入轉(zhuǎn)輪時，會沖擊葉片進口壓力面，形成局部高壓，并且入流量越大，壓力也會越高，同時耗散一大部分能量。葉片對水流的強烈作用會使其在吸力面?zhèn)劝l(fā)生流動分離，形成渦結(jié)構(gòu)，水流主要從壓力面?zhèn)冗M入轉(zhuǎn)輪，如圖4(a)所示，葉道內(nèi)水流為螺旋形的三維流動，借用VR技術(shù)能清晰地展示這類三維流動的細(xì)節(jié)。在水泵制動工況下，雖然總流量的方向是水輪機方向，但在尾水管的中部存在著較強的回流，如圖4(b)。

圖4 水泵制動工況某工作點(點2)流態(tài)圖

2.3.3 水輪機工況

在水輪機工況下，轉(zhuǎn)速方向變?yōu)樗啓C轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速較低時，流量處于超負(fù)荷狀態(tài)，流態(tài)與水泵制動區(qū)低轉(zhuǎn)速工況類似，但水流對壓力面的沖擊作用以及流動分離現(xiàn)象減弱。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到水輪機工作的最佳條件附近時，水流流態(tài)將再次變得平順，葉片壓力面附近僅存在輕微脫流，但沒有明顯的渦結(jié)構(gòu)，見圖5(a)。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，水流與葉片進口發(fā)生撞擊，使葉片進口稍后區(qū)域出現(xiàn)不同程度的旋渦，水流不能平順地沿著轉(zhuǎn)輪流道流出，流動分離將再次出現(xiàn)，高速水流靠近吸力面。在尾水管進口處，高速水流靠近壁面而中部存在螺旋流動，如圖5(b)所示。

圖5 水輪機工況某工作點(點3)流態(tài)圖

2.3.4 水輪機制動工況

隨著轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，流量大幅減小，水泵水輪機進入水輪機制動工況，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動方向和水流流向均與水輪機工況保持一致。由于轉(zhuǎn)輪進口處巨大的離心力作用、出口處圓周運動的影響以及過流通道內(nèi)流量的減小，水流能量被轉(zhuǎn)輪葉片的劇烈沖擊所耗散，同時產(chǎn)生強烈的流動分離并出現(xiàn)尺度較大的渦結(jié)構(gòu)，進口處還會形成空間螺旋形橫向流動，轉(zhuǎn)輪內(nèi)流動非?；靵y，可見流線十分紊亂，如圖6(a)。尾水管流態(tài)從入口開始便以復(fù)雜螺旋流態(tài)為主，進口直錐段存在大范圍回流，如圖6(b)所示，這時產(chǎn)生的壓力等參數(shù)的脈動將對機組穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

2.3.5 反水泵工況

隨著流量的繼續(xù)減小，水泵水輪機越過零流量點進入反水泵區(qū)，此時轉(zhuǎn)輪以水輪機方向高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強烈的離心力使水流向上流動。反水泵工況水流幾乎垂直撞擊葉片吸力面，使水流主要集中從靠近轉(zhuǎn)輪出口處的葉片吸力面?zhèn)冗M入轉(zhuǎn)輪，同時壓力面?zhèn)雀浇嬖谏倭炕亓?，轉(zhuǎn)輪內(nèi)流動較為不穩(wěn)定。在導(dǎo)葉區(qū)域其流動十分不均勻，存在大量的渦結(jié)構(gòu)，從轉(zhuǎn)輪流出的水流會垂直撞擊導(dǎo)葉尾部，并貼近其一側(cè)流動。這種流態(tài)此前未見報道，可能是導(dǎo)葉力矩波動較大的原因。反水泵小流量工況下，轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉區(qū)域內(nèi)流態(tài)極其紊亂，存在大量不穩(wěn)定的回流渦結(jié)構(gòu)，如圖7(a)示。在尾水管中下游區(qū)域流動均勻且流速較緩，直錐管壁內(nèi)側(cè)有少量渦結(jié)構(gòu)。隨著流量的增加，機組內(nèi)將逐漸形成較穩(wěn)定的渦流分布。

圖7 反水泵工況某工作點(點5)流態(tài)圖

3 結(jié) 語

2016年被稱為是VR技術(shù)的元年，近年來，隨著科技的發(fā)展，VR技術(shù)也得以機會逐漸進入了大眾的視野[13]?？梢灶A(yù)見的是，VR技術(shù)最終會成為一種重要的新平臺、新媒介[14]，我們應(yīng)當(dāng)加大對VR技術(shù)的創(chuàng)新力度，不斷推動VR技術(shù)的廣泛普及應(yīng)用[15]，借助VR技術(shù)的優(yōu)勢，彌補某些處理方法的不足之處。

為了解決水泵水輪機流態(tài)研究過程中傳統(tǒng)后處理展示方式不夠直觀、生動的缺點，本文引入了VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，探索了基于EnSight的VR實現(xiàn)方法，并以國內(nèi)某抽水蓄能電站水泵水輪機為研究對象，使用Fluent軟件進行數(shù)值模擬計算，用EnSight軟件進行后處理并實現(xiàn)計算結(jié)果的VR虛擬現(xiàn)實顯示。同時，本文對該水泵水輪機5個不同工況下典型工作點的流態(tài)特征進行了展示與分析，總結(jié)了其大致規(guī)律。通過本研究的實踐證明，此種結(jié)合VR顯示技術(shù)的后處理方法能夠使觀察者做到“身臨其境”，便捷、形象、生動、無死角地獲得水泵水輪機各處流場信息，隨著VR技術(shù)的進一步普及，VR技術(shù)在復(fù)雜流態(tài)特性的研究中有望被廣泛運用。