基于BIM＋數值模擬的混流式水輪機設計

關鍵詞：ＢＩＭ；數值模擬；混流式水輪機；數據交互；Ｉｎｖｅｎｔｏｒ；Ｆｌｕｅｎｔ

０引言

當前ＢＩＭ（ＢｕｉｌｄｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ）技術已廣泛應用于建筑、交通、水利等各個領域［１－３］。ＢＩＭ技術參數化、標準化等設計理念打破傳統(tǒng)設計方法信息脫節(jié)、效率低下的狀況，基于ＢＩＭ技術的參數化設計逐漸成為一種趨勢［４］。王寧等［５］依托Ｒｅｖｉｔ平臺展示了水利工程ＢＩＭ三維設計的具體過程，詳細闡述了ＢＩＭ設計成果的具體應用；張鵬利等［６］基于達索３ＤＥＸＰＥＲＩＥＮＣＥ平臺開發(fā)了一套基于ＢＩＭ技術的水利水電工程設計體系；黃桂林等［７］以碾盤山水電站樞紐三維設計為例，介紹了ＢＩＭ技術的設計平臺、流程及成果。ＢＩＭ技術在水利工程的應用可觀，但是很少有人將ＢＩＭ技術應用于水力機械的設計階段。

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，ＢＩＭ技術逐漸暴露出來一些缺陷，比如ＢＩＭ應用于設計階段時缺少對設計產物性能預演分析的環(huán)節(jié)，而利用ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）數值模擬可以評價設計模型的水力性能。雷恒等［８］通過數值模擬對增容改造之后的水輪機性能進行了預測；席本強等［９］為研究旋管式離心泵的內流場特性，利用Ｆｌｕｅｎｔ軟件和數值模擬方法對旋管體內流場進行了三維數值模擬；田亞平等［１０］借助數值試驗平臺對改造前后的水輪機進行全流道三維流場數值計算及性能預測，分析了水輪機改造前后的水動力學差異?？梢姅抵的M能夠有效預測設計產物的性能，但是很少有人將ＢＩＭ與數值模擬相結合應用于水力機械設計中。

近年來，大型水利水電工程興建中水輪機作為必不可少的水力機械，其性能的優(yōu)劣決定水電能源的開發(fā)利用率，影響著整座電站的發(fā)電效益和穩(wěn)定性［１１－１３］。水輪機設計是一項非常復雜的過程，設計過程中會產生大量的數據信息。本文將ＢＩＭ技術應用于ＨＬＦＮ－ＬＪ－９３０混流式水輪機設計中，對其進行不同流量工況的數值模擬計算，驗證基于ＢＩＭ＋數值模擬進行水輪機設計的可行性，以期為類似工程提供參考。

１水輪機設計流程分析

水輪機內流場具有一定的復雜性，針對水輪機設計過程中的各種問題應該分清主次、統(tǒng)籌兼顧，尋求系統(tǒng)有效的解決途徑。隨著計算機的發(fā)展和水力發(fā)電需求的增大，單純利用三維設計軟件進行水輪機設計已經不能滿足設計要求，還應進行設計產物的水力性能檢驗，因此水輪機設計應該包括三維模型設計和數值模擬仿真檢驗兩部分，具體流程見圖１。ＢＩＭ作為一個基于對象的模型和協(xié)作平臺，為ＣＦＤ數值仿真提供相關的物理參數，而ＣＦＤ通過特定的數值計算來探索假設場景，ＢＩＭ與數值模擬相結合的方法為水輪機設計提供良好的設計環(huán)境。完成數值模擬分析之后可根據分析結果進行水輪機ＢＩＭ模型的優(yōu)化設計，使ＢＩＭ模型更加完善，最大限度地提高水輪機設計的全面性。

２ＢＩＭ模型與數值模擬數據交互

ＢＩＭ模型與數值模擬分析軟件進行數據交互的途徑有３種：一是通過內部接口進行數據傳輸；二是通過外部編程或插件進行數據傳輸；三是通過導出中間格式文件進行數據傳輸。本文采用內部接口進行數據傳輸。ＡＮＳＹＳ平臺集成流體力學等多個模塊，其中Ｆｌｕｅｎｔ是目前實用性較強、功能較為強大的計算流體動力學的工具。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ軟件提供ＡＰＩ端口，目前Ｉｎ?ｖｅｎｔｏｒ與ＡＮＳＹＳ已經實現(xiàn)無縫銜接，二者之間具有較強的交互能力，在ＡＮＳＹＳ－ＣＡＤＣｏｎｆｉｇｕｒｅＭａｎａｇｅｒ中勾選Ｉｎｖｅｎｔｏｒ，即可打開Ｉｎｖｅｎｔｏｒ與ＡＮＳＹＳ的集成端口，把ＡＮＳＹＳ嵌入Ｉｎｖｅｎｔｏｒ，模型搭建完成之后在Ｉｎ?ｖｅｎｔｏｒ中可直接調用嵌入Ｉｎｖｅｎｔｏｒ內部的ＡＮＳＹＳ版塊，模型能直接加載到ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ環(huán)境中，在ＡＮＳＹＳ平臺調用Ｆｌｕｅｎｔ可進行后續(xù)模擬，保證模型數據的完整性和豐富性。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ與ＡＮＳＹＳ數據交互場景見圖２。

３基于ＢＩＭ的水輪機設計應用

水輪機部件結構復雜且數量較多，在水輪機設計過程中會產生大量的數據信息，信息流動是整個設計流程的核心，ＢＩＭ技術能以集成方式儲存和管理整個設計過程產生的各種信息。借助ＢＩＭ協(xié)同設計平臺，模型建立完成之后可上傳至平臺共享給各個設計參與方，各參與方可直接在平臺打開查看和修改?？梢暬δ苁牵拢桑图夹g最有價值、實用性最強的功能，如圖３所示在完成主廠房機電各專業(yè)設備裝配之后，利用ＢＩＭ技術強大的可視化功能進行模型的邏輯性和合理性校驗，減少后期各個專業(yè)施工安裝過程中可能產生的不協(xié)調現(xiàn)象，提高設計質量和效率。

Ｉｎｖｅｎｔｏｒ是Ａｕｔｏｄｅｓｋ平臺中機械專業(yè)的設計軟件，涵蓋零部件設計及裝配、工程圖設計等設計全過程，不僅能夠進行三維模型的搭建，而且能夠與其他軟件進行數據共享。借助Ｉｎｖｅｎｔｏｒ可以進行設計模型的碰撞檢測工作，以及相鄰部件或者模型整體內部的干涉檢查，如果存在干涉現(xiàn)象，軟件會標紅顯示，彈出一個包含干涉體積和干涉類型的對話框，方便設計人員進行修改。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ內部還設有ＢＩＭ模塊，可添加零部件設計人員、制造廠商、材質、質量等詳細信息，可導出包含水輪機各個零部件的物料清單ＢＯＭ表，為后期構件加工制造以及成本核算提供依據。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ操作界面與模型設計成果見圖４。ＨＬＦＮ－ＬＪ－９３０混流式水輪機參數如下：轉輪半徑９３００ｍｍ，轉輪葉片個數１５個，導葉個數２８個，蝸殼形式為金屬蝸殼，額定流量８９２ｍ３／ｓ，額定出力８１２ＭＷ，最大水頭１１４ｍ，額定水頭１００ｍ，最小水頭８６ｍ。

４數值模擬

水輪機的過流部件形狀不規(guī)則，不易掌握水流運動規(guī)律。目前水輪機過流部件的性能模擬研究分為兩類：一類是水輪機物理模型實驗，其容易受條件限制，需要耗費大量時間和金錢；還有一類是利用計算機輔助工程ＣＡＥ技術進行ＣＦＤ數值模擬分析，這類實驗研究不受時間和空間的限制，大大縮短設計時間成本，節(jié)省設計費用。

４．１水力模型與數學模型

４．１．１水力模型

將水輪機ＢＩＭ模型載入ＡＮＳＹＳ－ＳｐａｃｅＣｌａｉｍ，再次檢查確認水輪機ＢＩＭ模型沒有錯、漏、碰撞現(xiàn)象之后，進行水輪機模型的簡化（見圖５），刪減不必要的細小部件，搭建水力模型，以便于后續(xù)水輪機流體域抽取。簡化后水輪機流體域主要包括蝸殼、轉輪、導葉和尾水管４個部分。

４．１．２數學模型

流體在水輪機內部多做旋轉運動，ＲＮＧｋ－ε模型考慮了流體的旋轉狀態(tài)，能夠較好地模擬水流在水輪機內部的流動情況［１４］，因此選用具有較高湍流、渦流精度的ＲＮＧｋ－ε模型，其連續(xù)性方程、雷諾方程和ｋ－ε方程如下。

４．２網格劃分及參數設置

４．２．１網格劃分

網格質量直接影響數值模擬計算的速度和準確性，采用ＡＮＳＹＳ－Ｍｅｓｈ對模型進行網格劃分，經過網格無關性驗證，水輪機全流道網格總數達到５００萬時所得到的數值基本不變，最終確定水輪機全流道網格總數５３３１２６８，網格劃分效果見圖６。蝸殼網格數量２２４３４９，導葉網格數量１２０４２７２，轉輪網格數量１２３５９１６，尾水管網格數量２６６６７３１，平均網格質量０．８３５，網格質量良好。

４．２．２參數設置

合適的邊界條件有利于計算過程的收斂，水輪機內流體為不可壓縮流，設定蝸殼進口為速度入口，速度大小由流量除以進口斷面面積來確定，方向垂直于進口斷面。設定尾水管為壓力出口，參考壓力為一個大氣壓。固體壁面采用光滑、無滑移壁面邊界條件。ＳＩＭＰＬＥ算法被廣泛應用于不可壓縮流體［１４］，因此采用ＳＩＭＰＬＥ算法求解壓力場。

依據該水輪機實際的工作條件，設計３種模擬工況，分別進行大流量工況、額定流量工況以及小流量工況下的數值模擬計算，具體工況參數見表１。

４．３計算結果及分析

４．３．１蝸殼層流場分析

各工況下蝸殼層中間截面壓力分布見圖７?？梢钥闯?，隨著流量增大，蝸殼、導葉和轉輪區(qū)的壓力峰值逐漸增大，蝸殼外側向內側方向壓力逐漸減小，呈現(xiàn)出環(huán)向分布，壓力梯度較小，蝸殼不會因壓力梯度過大而產生振動現(xiàn)象影響其穩(wěn)定性。導葉的頭部受到水流的直接沖擊，導致其局部出現(xiàn)高壓現(xiàn)象。轉輪葉片背部區(qū)域出現(xiàn)負壓，說明葉片背部易發(fā)生空化現(xiàn)象。

各工況下蝸殼層中間截面速度分布見圖８，流線分布見圖９。從圖８可以看出，３種工況下蝸殼內部流速分布都較為均勻，水流從蝸殼進口均勻流入蝸殼內部，越靠近轉輪葉片水流速度越小，越靠近流道中心區(qū)域水流速度越大，過渡較為平穩(wěn)。從圖９可以看出，水流在蝸殼內部流動過程中沒有出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，流線較為順暢，沒有產生突變現(xiàn)象，流態(tài)良好，水流到達轉輪出口時速度最大，水流能以較高的速度進入導葉區(qū)并經過轉輪流出，速度沿向心方向逐步增大，過渡較為平穩(wěn)，沒有產生突變現(xiàn)象。

４．３．２尾水管流場分析

各工況下尾水管中間截面壓力分布見圖１０?？梢钥闯?，尾水管進口位置出現(xiàn)負壓，并且流量越大負壓區(qū)越明顯，這是因為水流經過轉輪后以周向流動方式進入尾水管，產生了低壓空腔，在這些區(qū)域容易出現(xiàn)空化渦帶，影響水輪機的穩(wěn)定性。

各工況下尾水管中間截面速度分布、流線分布分別見圖１１、圖１２。可以看出，尾水管內水流從進口到出口速度逐漸減小，尾水管內流體存在渦流現(xiàn)象，并且隨著流量增大內部水流渦流越明顯。不同流量下尾水管進口位置出現(xiàn)低速區(qū)域，其周圍伴隨著高速區(qū)，可以推斷出該區(qū)域出現(xiàn)了旋渦，尾水管有可能產生振動現(xiàn)象進而影響水輪機組的穩(wěn)定性。

５深化設計

通過水輪機數值模擬計算，得出水輪機在不同工況的流場數據，可以根據這些數據進行水輪機深化設計。從數值模擬結果可以看出，轉輪和尾水管局部區(qū)域易發(fā)生空化現(xiàn)象，因此在進行轉輪葉片、尾水管部件設計時可以修改轉輪葉片形式，采用抗汽蝕穩(wěn)定性好的材料來減輕汽蝕破壞的程度。此外，可以根據蝸殼區(qū)域的壓力分布進行蝸殼制造材料的分區(qū)分配，在蝸殼壁面壓力較大區(qū)域分配有足夠強度和厚度的鋼板，在壓力較小區(qū)域適當減小鋼板厚度，以達到節(jié)約用材的目的?？梢栽冢桑睿觯澹睿簦铮蛑幸蕴砑樱拢桑蛢热莸姆绞劫x予零部件相應的信息屬性，將數值模擬結果耦合到ＢＩＭ模型中，豐富模型的信息程度，為水輪機深化設計工作提供可參考的數據信息。

６結論

采用ＢＩＭ技術與數值模擬相結合的方式進行水輪機設計，可優(yōu)化設計流程，提高設計質量，節(jié)約時間成本。針對混流式水輪機進行不同流量工況的數值模擬計算，發(fā)現(xiàn)蝸殼水力性能良好，轉輪和尾水管局部區(qū)域容易發(fā)生空化現(xiàn)象，需進一步優(yōu)化設計以改善機組整體性能，對ＢＩＭ模型進一步深化以提高其信息承載能力。