程永光，劉 輝，唐茂嘉，楊志炎，胡棟樑，龔 睿

(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

虛擬現實技術(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[1]。近年來VR技術已逐漸走向成熟并被應用于諸多領域之中，例如，在水利領域中就已有一定的應用：胡少軍等利用VR技術初步構建了渠系仿真系統(tǒng)，通過實踐證明了VR技術的運用能達到預期的漫游、 查詢以及交互等目的[2]。朱孟偉研究了VR虛擬現實技術在艦船航行軌跡中的應用，使設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虛擬現實仿真系統(tǒng)，使用HTC Vive設備作為交互外設，探索了VR技術在水電領域中的運用，實現了VR模擬培訓等功能，提高了水電站廠房設計及運行維護的效率[4]。

抽水蓄能電站是目前電網規(guī)模最大且高效的調節(jié)和蓄能手段，具有調峰填谷、調頻調相、事故備用等重要功能。根據電網調度的要求，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)復雜多變[5]。其中，在S形區(qū)域，某一單位轉速可能對應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上均與流態(tài)有關，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部流態(tài)的變化具有十分重要的意義。

20世紀60年代，隨著計算機技術的不斷提高，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)迅速發(fā)展，現已在諸多領域有較成熟的運用[7]。目前，眾多學者運用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，當前對于計算結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技術的后處理方法能做到生動形象地反映水泵水輪機內部流場信息。

1 基于EnSight的VR實現方法

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、動畫功能、大規(guī)模數據的處理能力等均處于行業(yè)領先的地位。EnSight軟件的應用范圍包括 CFD、 FEA、碰撞、流體力學、 SPH等各個領域，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，能幫助分析各種復雜的體系與流程。另外EnSight還支持虛擬現實的顯示方式，可讓分析人員借助虛擬現實顯示系統(tǒng)更加直觀準確的獲取信息，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VR顯示的工具。

1.2 EnSight接口介紹

EnSight作為專用的科學可視化平臺，數據接口豐富，可以從大多數仿真工具中讀取并可視化數據，除ANSYS之外，EnSight還具有AcuSolve、ADINA、Airpak、ABAQUS、ADAMS等數十款其他計算力學軟件的數據接口。對這些商業(yè)軟件，研究者可在EnSight中直接讀取計算數據，創(chuàng)建和傳達清晰、直觀的仿真結果。同時，EnSight還具備自己的專有數據接口文件格式：EnSight5、EnSight6和EnSight Case Gold。以EnSight Case Gold格式為例，它需要的數據文件包含以下3類：①案例配置文件(encase文件)。該文件給出了數據版本的聲明以及幾何模型文件和數據文件的配置；②幾何模型文件(geo文件)。文件中包含了模型所有的坐標及節(jié)點等信息；③數個數據文件(dat文件)。每個所計算的物理量單獨組成一個數據文件，此類型文件可以包含各類自定義的計算結果[12]。

1.3 基于EnSight的VR實現方法

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頭戴式虛擬現實顯示器。

任何許可證級別的EnSight用戶都可使用HTC Vive虛擬現實顯示系統(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VR顯示：

(1)調試好VR設備所需環(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，正確佩戴設備，則在視線范圍內，可以看到一個3D場景在附近。

(4)同時，HTC Vive設備的操控手柄也是可見的，左手柄可以用來移動虛擬現實場景，右手柄可用來移動光標工具、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實視圖體的位置和大小的個性化設置以及虛擬現實注釋平面的相關設置。

2 水泵水輪機流態(tài)VR展示

2.1 數值模型和條件

2.1.1 計算體型參數

本文以國內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、導葉、轉輪和尾水管4個部分，如圖1所示。主要幾何參數如表1所示，其中，D1為水泵水輪機在水輪機工況下的轉輪進口直徑，D2為轉輪出口直徑，Zb為轉輪葉片數，nsv為固定導葉數，ngv為活動導葉數，GVO為導葉開度。

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，且廣泛被應用，因此湍流模型選用RNGk-ε模型。

邊界條件：進行模擬設置時，給定蝸殼進口壓力，尾水管出口流量、機組轉速，固體壁面設為無滑移邊界。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 網格及時間步長

使用ANSYS ICEM CFD軟件對計算區(qū)域進行網格劃分。蝸殼與導葉區(qū)域采用非結構化的四面體網格，轉輪與尾水管區(qū)域則采用結構化的六面體網格。最終，整體網格數達到183萬。

數值計算時選擇SIMPLEC算法實現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格式。首先對該水泵水輪機進行三維定常數值模擬，在定常模擬達到穩(wěn)定之后，將定常模擬結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果。非定常計算的時間步長為0.001 s，轉輪每旋轉一周計算240個時間步長，收斂殘差目標值為0.000 1。

2.2 計算結果后處理及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中選擇所需數據并輸出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) 以及所選擇的數個數據文件。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據兼容性更好，因此本研究選擇采用此種方式。

在本研究過程中，所涉及的數據主要有流速、壓力等，數據文件分為標量文件(scl文件)和矢量文件(vel文件)兩類，其中，流速數據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，分析水泵水輪機轉輪內水流的流態(tài)特性時需要研究水流在葉道內的相對流動，即相對于葉片的運動，因此不能采用絕對速度文件，而在數據輸出時默認不能輸出相對速度矢量數據文件，僅有3個方向相對速度分量的標量數據文件，無法生成流線。但從EnSight的用戶手冊中可查得這兩種類型數據文件的ASCII構成形式，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量數據文件組成所需要的相對速度矢量數據文件。在輸出EnSight Case Gold格式文件之后，用EnSight選擇encas文件并打開，即可讀取所輸出數據，實現計算結果的可視化。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設備對計算結果進行細致觀察。

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

圖2 虛擬現實設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，而水泵水輪機是復雜的三維金屬結構，再加上快速旋轉，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，研究者可以身臨其境地進入三維流態(tài)內，四處隨意觀察，既清晰、形象、直觀，也可防止視線死角，發(fā)現一些之前不易發(fā)現的細部流態(tài)，加深對水泵水輪機能量轉換機理的認識。

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，各工作點參數如表2所示。其中，n11表示單位轉速，Q11表示單位流量，定義式分別如下：

表2 各工作點參數

(1)

(2)

式中：H表示水輪機工作水頭；n表示水輪機轉速；Q表示水輪機流量。

2.3.1 水泵工況

當水泵水輪機處于水泵工況時，轉輪以水泵方向旋轉，向上游抽水，水流從尾水管流向蝸殼。當其在水泵工況的高效點附近運行時，轉輪、導葉以及尾水管之中的流態(tài)均比較平順，葉道內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，導葉部位有輕微的脫流，尾水管內也僅有局部擾動現象，沒有明顯的渦存在，流態(tài)好，機組運行穩(wěn)定。當抽水流量減小時，水泵水輪機偏離設計工況，效率明顯下降，流動不均勻，出現流動分離、旋轉失速等現象，此時的流動特性在之前已有較多相關的研究，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)，轉輪轉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，水泵水輪機內流態(tài)復雜，轉輪葉道內大部分被堵塞。當水流流經導葉區(qū)域進入轉輪時，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，形成渦結構，水流主要從壓力面?zhèn)冗M入轉輪，如圖4(a)所示，葉道內水流為螺旋形的三維流動，借用VR技術能清晰地展示這類三維流動的細節(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，轉速方向變?yōu)樗啓C轉向，轉速較低時，流量處于超負荷狀態(tài)，流態(tài)與水泵制動區(qū)低轉速工況類似，但水流對壓力面的沖擊作用以及流動分離現象減弱。當轉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，但沒有明顯的渦結構，見圖5(a)。隨著轉速的繼續(xù)增加，水流與葉片進口發(fā)生撞擊，使葉片進口稍后區(qū)域出現不同程度的旋渦，水流不能平順地沿著轉輪流道流出，流動分離將再次出現，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

隨著轉輪轉速的繼續(xù)增加，流量大幅減小，水泵水輪機進入水輪機制動工況，轉輪轉動方向和水流流向均與水輪機工況保持一致。由于轉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流量的減小，水流能量被轉輪葉片的劇烈沖擊所耗散，同時產生強烈的流動分離并出現尺度較大的渦結構，進口處還會形成空間螺旋形橫向流動，轉輪內流動非?；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，這時產生的壓力等參數的脈動將對機組穩(wěn)定性造成嚴重影響。

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)，此時轉輪以水輪機方向高速旋轉，產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輪出口處的葉片吸力面?zhèn)冗M入轉輪，同時壓力面?zhèn)雀浇嬖谏倭炕亓鳎D輪內流動較為不穩(wěn)定。在導葉區(qū)域其流動十分不均勻，存在大量的渦結構，從轉輪流出的水流會垂直撞擊導葉尾部，并貼近其一側流動。這種流態(tài)此前未見報道，可能是導葉力矩波動較大的原因。反水泵小流量工況下，轉輪及導葉區(qū)域內流態(tài)極其紊亂，存在大量不穩(wěn)定的回流渦結構，如圖7(a)示。在尾水管中下游區(qū)域流動均勻且流速較緩，直錐管壁內側有少量渦結構。隨著流量的增加，機組內將逐漸形成較穩(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 語

2016年被稱為是VR技術的元年，近年來，隨著科技的發(fā)展，VR技術也得以機會逐漸進入了大眾的視野[13]?？梢灶A見的是，VR技術最終會成為一種重要的新平臺、新媒介[14]，我們應當加大對VR技術的創(chuàng)新力度，不斷推動VR技術的廣泛普及應用[15]，借助VR技術的優(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虛擬現實技術，探索了基于EnSight的VR實現方法，并以國內某抽水蓄能電站水泵水輪機為研究對象，使用Fluent軟件進行數值模擬計算，用EnSight軟件進行后處理并實現計算結果的VR虛擬現實顯示。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，總結了其大致規(guī)律。通過本研究的實踐證明，此種結合VR顯示技術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技術的進一步普及，VR技術在復雜流態(tài)特性的研究中有望被廣泛運用。