關(guān)鍵詞：ＢＩＭ；數(shù)值模擬；混流式水輪機(jī)；數(shù)據(jù)交互；Ｉｎｖｅｎｔｏｒ；Ｆｌｕｅｎｔ

０引言

當(dāng)前ＢＩＭ（ＢｕｉｌｄｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水利等各個(gè)領(lǐng)域［１－３］。ＢＩＭ技術(shù)參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化等設(shè)計(jì)理念打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法信息脫節(jié)、效率低下的狀況，基于ＢＩＭ技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)逐漸成為一種趨勢［４］。王寧等［５］依托Ｒｅｖｉｔ平臺(tái)展示了水利工程ＢＩＭ三維設(shè)計(jì)的具體過程，詳細(xì)闡述了ＢＩＭ設(shè)計(jì)成果的具體應(yīng)用；張鵬利等［６］基于達(dá)索３ＤＥＸＰＥＲＩＥＮＣＥ平臺(tái)開發(fā)了一套基于ＢＩＭ技術(shù)的水利水電工程設(shè)計(jì)體系；黃桂林等［７］以碾盤山水電站樞紐三維設(shè)計(jì)為例，介紹了ＢＩＭ技術(shù)的設(shè)計(jì)平臺(tái)、流程及成果。ＢＩＭ技術(shù)在水利工程的應(yīng)用可觀，但是很少有人將ＢＩＭ技術(shù)應(yīng)用于水力機(jī)械的設(shè)計(jì)階段。

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，ＢＩＭ技術(shù)逐漸暴露出來一些缺陷，比如ＢＩＭ應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段時(shí)缺少對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)物性能預(yù)演分析的環(huán)節(jié)，而利用ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）數(shù)值模擬可以評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)模型的水力性能。雷恒等［８］通過數(shù)值模擬對(duì)增容改造之后的水輪機(jī)性能進(jìn)行了預(yù)測；席本強(qiáng)等［９］為研究旋管式離心泵的內(nèi)流場特性，利用Ｆｌｕｅｎｔ軟件和數(shù)值模擬方法對(duì)旋管體內(nèi)流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬；田亞平等［１０］借助數(shù)值試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)改造前后的水輪機(jī)進(jìn)行全流道三維流場數(shù)值計(jì)算及性能預(yù)測，分析了水輪機(jī)改造前后的水動(dòng)力學(xué)差異?？梢姅?shù)值模擬能夠有效預(yù)測設(shè)計(jì)產(chǎn)物的性能，但是很少有人將ＢＩＭ與數(shù)值模擬相結(jié)合應(yīng)用于水力機(jī)械設(shè)計(jì)中。

近年來，大型水利水電工程興建中水輪機(jī)作為必不可少的水力機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的過程，設(shè)計(jì)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息。本文將ＢＩＭ技術(shù)應(yīng)用于ＨＬＦＮ－ＬＪ－９３０混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)中，對(duì)其進(jìn)行不同流量工況的數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證基于ＢＩＭ＋數(shù)值模擬進(jìn)行水輪機(jī)設(shè)計(jì)的可行性，以期為類似工程提供參考。

１水輪機(jī)設(shè)計(jì)流程分析

水輪機(jī)內(nèi)流場具有一定的復(fù)雜性，針對(duì)水輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中的各種問題應(yīng)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(jì)算機(jī)的發(fā)展和水力發(fā)電需求的增大，單純利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行水輪機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)要求，還應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)物的水力性能檢驗(yàn)，因此水輪機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該包括三維模型設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬仿真檢驗(yàn)兩部分，具體流程見圖１。ＢＩＭ作為一個(gè)基于對(duì)象的模型和協(xié)作平臺(tái)，為ＣＦＤ數(shù)值仿真提供相關(guān)的物理參數(shù)，而ＣＦＤ通過特定的數(shù)值計(jì)算來探索假設(shè)場景，ＢＩＭ與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法為水輪機(jī)設(shè)計(jì)提供良好的設(shè)計(jì)環(huán)境。完成數(shù)值模擬分析之后可根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行水輪機(jī)ＢＩＭ模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使ＢＩＭ模型更加完善，最大限度地提高水輪機(jī)設(shè)計(jì)的全面性。

２ＢＩＭ模型與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)交互

ＢＩＭ模型與數(shù)值模擬分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的途徑有３種：一是通過內(nèi)部接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；二是通過外部編程或插件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；三是通過導(dǎo)出中間格式文件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本文采用內(nèi)部接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ＡＮＳＹＳ平臺(tái)集成流體力學(xué)等多個(gè)模塊，其中Ｆｌｕｅｎｔ是目前實(shí)用性較強(qiáng)、功能較為強(qiáng)大的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的工具。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ軟件提供ＡＰＩ端口，目前Ｉｎ?ｖｅｎｔｏｒ與ＡＮＳＹＳ已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無縫銜接，二者之間具有較強(qiáng)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(diào)用嵌入Ｉｎｖｅｎｔｏｒ內(nèi)部的ＡＮＳＹＳ版塊，模型能直接加載到ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ環(huán)境中，在ＡＮＳＹＳ平臺(tái)調(diào)用Ｆｌｕｅｎｔ可進(jìn)行后續(xù)模擬，保證模型數(shù)據(jù)的完整性和豐富性。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ與ＡＮＳＹＳ數(shù)據(jù)交互場景見圖２。

３基于ＢＩＭ的水輪機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用

水輪機(jī)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且數(shù)量較多，在水輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，信息流動(dòng)是整個(gè)設(shè)計(jì)流程的核心，ＢＩＭ技術(shù)能以集成方式儲(chǔ)存和管理整個(gè)設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的各種信息。借助ＢＩＭ協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，模型建立完成之后可上傳至平臺(tái)共享給各個(gè)設(shè)計(jì)參與方，各參與方可直接在平臺(tái)打開查看和修改?？梢暬δ苁牵拢桑图夹g(shù)最有價(jià)值、實(shí)用性最強(qiáng)的功能，如圖３所示在完成主廠房機(jī)電各專業(yè)設(shè)備裝配之后，利用ＢＩＭ技術(shù)強(qiáng)大的可視化功能進(jìn)行模型的邏輯性和合理性校驗(yàn)，減少后期各個(gè)專業(yè)施工安裝過程中可能產(chǎn)生的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

Ｉｎｖｅｎｔｏｒ是Ａｕｔｏｄｅｓｋ平臺(tái)中機(jī)械專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件，涵蓋零部件設(shè)計(jì)及裝配、工程圖設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)全過程，不僅能夠進(jìn)行三維模型的搭建，而且能夠與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。借助Ｉｎｖｅｎｔｏｒ可以進(jìn)行設(shè)計(jì)模型的碰撞檢測工作，以及相鄰部件或者模型整體內(nèi)部的干涉檢查，如果存在干涉現(xiàn)象，軟件會(huì)標(biāo)紅顯示，彈出一個(gè)包含干涉體積和干涉類型的對(duì)話框，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ內(nèi)部還設(shè)有ＢＩＭ模塊，可添加零部件設(shè)計(jì)人員、制造廠商、材質(zhì)、質(zhì)量等詳細(xì)信息，可導(dǎo)出包含水輪機(jī)各個(gè)零部件的物料清單ＢＯＭ表，為后期構(gòu)件加工制造以及成本核算提供依據(jù)。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ操作界面與模型設(shè)計(jì)成果見圖４。ＨＬＦＮ－ＬＪ－９３０混流式水輪機(jī)參數(shù)如下：轉(zhuǎn)輪半徑９３００ｍｍ，轉(zhuǎn)輪葉片個(gè)數(shù)１５個(gè)，導(dǎo)葉個(gè)數(shù)２８個(gè)，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(shù)值模擬

水輪機(jī)的過流部件形狀不規(guī)則，不易掌握水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。目前水輪機(jī)過流部件的性能模擬研究分為兩類：一類是水輪機(jī)物理模型實(shí)驗(yàn)，其容易受條件限制，需要耗費(fèi)大量時(shí)間和金錢；還有一類是利用計(jì)算機(jī)輔助工程ＣＡＥ技術(shù)進(jìn)行ＣＦＤ數(shù)值模擬分析，這類實(shí)驗(yàn)研究不受時(shí)間和空間的限制，大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間成本，節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用。

４．１水力模型與數(shù)學(xué)模型

４．１．１水力模型

將水輪機(jī)ＢＩＭ模型載入ＡＮＳＹＳ－ＳｐａｃｅＣｌａｉｍ，再次檢查確認(rèn)水輪機(jī)ＢＩＭ模型沒有錯(cuò)、漏、碰撞現(xiàn)象之后，進(jìn)行水輪機(jī)模型的簡化（見圖５），刪減不必要的細(xì)小部件，搭建水力模型，以便于后續(xù)水輪機(jī)流體域抽取。簡化后水輪機(jī)流體域主要包括蝸殼、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉和尾水管４個(gè)部分。

４．１．２數(shù)學(xué)模型

流體在水輪機(jī)內(nèi)部多做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，ＲＮＧｋ－ε模型考慮了流體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，能夠較好地模擬水流在水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)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(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

４．２．１網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響數(shù)值模擬計(jì)算的速度和準(zhǔn)確性，采用ＡＮＳＹＳ－Ｍｅｓｈ對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，水輪機(jī)全流道網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到５００萬時(shí)所得到的數(shù)值基本不變，最終確定水輪機(jī)全流道網(wǎng)格總數(shù)５３３１２６８，網(wǎng)格劃分效果見圖６。蝸殼網(wǎng)格數(shù)量２２４３４９，導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)量１２０４２７２，轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格數(shù)量１２３５９１６，尾水管網(wǎng)格數(shù)量２６６６７３１，平均網(wǎng)格質(zhì)量０．８３５，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

４．２．２參數(shù)設(shè)置

合適的邊界條件有利于計(jì)算過程的收斂，水輪機(jī)內(nèi)流體為不可壓縮流，設(shè)定蝸殼進(jìn)口為速度入口，速度大小由流量除以進(jìn)口斷面面積來確定，方向垂直于進(jìn)口斷面。設(shè)定尾水管為壓力出口，參考?jí)毫橐粋€(gè)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(yīng)用于不可壓縮流體［１４］，因此采用ＳＩＭＰＬＥ算法求解壓力場。

依據(jù)該水輪機(jī)實(shí)際的工作條件，設(shè)計(jì)３種模擬工況，分別進(jìn)行大流量工況、額定流量工況以及小流量工況下的數(shù)值模擬計(jì)算，具體工況參數(shù)見表１。

４．３計(jì)算結(jié)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?？梢钥闯觯S著流量增大，蝸殼、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪區(qū)的壓力峰值逐漸增大，蝸殼外側(cè)向內(nèi)側(cè)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(huì)因壓力梯度過大而產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象影響其穩(wěn)定性。導(dǎo)葉的頭部受到水流的直接沖擊，導(dǎo)致其局部出現(xiàn)高壓現(xiàn)象。轉(zhuǎn)輪葉片背部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)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(nèi)部流速分布都較為均勻，水流從蝸殼進(jìn)口均勻流入蝸殼內(nèi)部，越靠近轉(zhuǎn)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(nèi)部流動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，流線較為順暢，沒有產(chǎn)生突變現(xiàn)象，流態(tài)良好，水流到達(dá)轉(zhuǎn)輪出口時(shí)速度最大，水流能以較高的速度進(jìn)入導(dǎo)葉區(qū)并經(jīng)過轉(zhuǎn)輪流出，速度沿向心方向逐步增大，過渡較為平穩(wěn)，沒有產(chǎn)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。可以看出，尾水管進(jìn)口位置出現(xiàn)負(fù)壓，并且流量越大負(fù)壓區(qū)越明顯，這是因?yàn)樗鹘?jīng)過轉(zhuǎn)輪后以周向流動(dòng)方式進(jìn)入尾水管，產(chǎn)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(jī)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?？梢钥闯觯菜軆?nèi)水流從進(jìn)口到出口速度逐漸減小，尾水管內(nèi)流體存在渦流現(xiàn)象，并且隨著流量增大內(nèi)部水流渦流越明顯。不同流量下尾水管進(jìn)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(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)而影響水輪機(jī)組的穩(wěn)定性。

５深化設(shè)計(jì)

通過水輪機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算，得出水輪機(jī)在不同工況的流場數(shù)據(jù)，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行水輪機(jī)深化設(shè)計(jì)。從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)輪和尾水管局部區(qū)域易發(fā)生空化現(xiàn)象，因此在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪葉片、尾水管部件設(shè)計(jì)時(shí)可以修改轉(zhuǎn)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(jù)蝸殼區(qū)域的壓力分布進(jìn)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(qiáng)度和厚度的鋼板，在壓力較小區(qū)域適當(dāng)減小鋼板厚度，以達(dá)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?nèi)容的方式賦予零部件相應(yīng)的信息屬性，將數(shù)值模擬結(jié)果耦合到ＢＩＭ模型中，豐富模型的信息程度，為水輪機(jī)深化設(shè)計(jì)工作提供可參考的數(shù)據(jù)信息。

６結(jié)論

采用ＢＩＭ技術(shù)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式進(jìn)行水輪機(jī)設(shè)計(jì)，可優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)約時(shí)間成本。針對(duì)混流式水輪機(jī)進(jìn)行不同流量工況的數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)蝸殼水力性能良好，轉(zhuǎn)輪和尾水管局部區(qū)域容易發(fā)生空化現(xiàn)象，需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)以改善機(jī)組整體性能，對(duì)ＢＩＭ模型進(jìn)一步深化以提高其信息承載能力。