孫 少 楠,劉 肖 杰,肖 佳 華,馬 奔,張 志 恒

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200335)

0 引 言

近年來,BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)技術(shù)發(fā)展十分迅速,因其參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)勢,已在各類工程中得到廣泛的推廣和應(yīng)用[1-2],在土建工程、機(jī)械設(shè)備方面的應(yīng)用也取得了較好的成果。王寧[1],李春生[2]等闡述了BIM在水利工程中的應(yīng)用。Wang等[3]開發(fā)了一個實(shí)用的BIM框架,用于集成從初步設(shè)計(jì)到施工階段的MEP(Mechanical,Electrical,Plumbing,即機(jī)械、電氣、管道)布局;解曉明[4]分析了BIM技術(shù)在建筑設(shè)備運(yùn)維管理中的應(yīng)用優(yōu)勢,構(gòu)建了BIM運(yùn)維信息數(shù)據(jù)庫;閆嘯坤等[5]基于GIS平臺,融合BIM模型,構(gòu)建了基于BIM+GIS的鐵路橋梁設(shè)備管理系統(tǒng),推進(jìn)了鐵路橋梁設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、精細(xì)化、智能化管理進(jìn)程;孫鑫[6],李帥[7]等預(yù)先采用BIM技術(shù)進(jìn)行各專業(yè)碰撞試驗(yàn),減少了機(jī)電設(shè)備安裝施工過程中不同專業(yè)沖突,避免了不必要的返工,提高了工程效益。綜合看來,BIM技術(shù)在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用可觀,但是目前很少有人將BIM技術(shù)應(yīng)用于水力機(jī)械設(shè)計(jì)中,傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)已落后于機(jī)械專業(yè)的需求,故尋求一種機(jī)械專業(yè)的BIM設(shè)計(jì)方法迫在眉睫[5,8]。

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展,BIM技術(shù)也逐漸暴露出來一些缺陷,例如BIM技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段的過程中難以進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)物性能的分析預(yù)演,而利用CFD數(shù)值模擬可以判斷設(shè)計(jì)模型的水力性能是否良好。Patel等[9]闡述了計(jì)算流體力學(xué)在模擬水輪機(jī)運(yùn)行方面的各種應(yīng)用,還簡要討論了與CFD相結(jié)合的各種優(yōu)化技術(shù)如何優(yōu)化水輪機(jī)水力性能;李銀各等[10]基于ANSYS-Workbench商業(yè)軟件對向心式壓氣機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬和優(yōu)化,根據(jù)模擬結(jié)果找到了向心式壓氣機(jī)的較優(yōu)工況,分析了向心式壓氣機(jī)的變工況特性;趙勇等[11]采用CFD方法進(jìn)行離心泵水力性能優(yōu)化分析,結(jié)果表明離心泵透平的水力效率得到了較大提升;敏政[12]和羅麗[13]等采用流場數(shù)值模擬的方法對優(yōu)化改造之后的水輪機(jī)性能進(jìn)行了預(yù)測,結(jié)果表明改造之后的水輪機(jī)內(nèi)部流動特性得到了改善,運(yùn)行穩(wěn)定性得到了提高?？梢娡ㄟ^CFD數(shù)值模擬對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行性能預(yù)測和優(yōu)化的可行性較高,但是將BIM與CFD相結(jié)合應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中的研究較少。

本文嘗試將BIM技術(shù)應(yīng)用于水力機(jī)械設(shè)計(jì)中,然后聯(lián)合BIM與CFD進(jìn)行水力機(jī)械設(shè)計(jì)。混流式水輪機(jī)內(nèi)部通流部件的水力設(shè)計(jì)影響著整座電站的發(fā)電效益和穩(wěn)定運(yùn)行[14],蝸殼作為水流流經(jīng)水輪機(jī)的第一個部件,對于整個機(jī)組的性能有著重要的影響[15-16]。本文以HLFN-LJ-930混流式水輪機(jī)為例,重點(diǎn)開展蝸殼水力計(jì)算、BIM模型設(shè)計(jì)搭建和水力性能數(shù)值模擬分析,驗(yàn)證BIM和CFD的聯(lián)合應(yīng)用在水力機(jī)械設(shè)計(jì)中的可行性,為類似工程提供參考。

1 BIM和CFD聯(lián)合分析

1.1 分析流程

BIM技術(shù)是一種強(qiáng)大的解決方案[17]。主廠房機(jī)電設(shè)備總裝如圖1所示,在水力機(jī)械設(shè)備裝配完成之后,利用BIM技術(shù)可視化等特點(diǎn)可以檢查三維模型的完整性和合理性,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量相互促進(jìn)提高的良性循環(huán)[18]。CFD數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)BIM技術(shù)難以進(jìn)行水力機(jī)械水力性能檢驗(yàn)的短板。BIM技術(shù)與CFD相結(jié)合,提高了BIM技術(shù)的使用價(jià)值,既保證了BIM模型的準(zhǔn)確性,又減少了數(shù)值模擬過程中重復(fù)建模的次數(shù),優(yōu)化了數(shù)值模擬流程。BIM技術(shù)和CFD聯(lián)合應(yīng)用的研究路線如圖2所示。

圖1 主廠房機(jī)電設(shè)備總裝Fig.1 Final assembly of mechanical and electrical equipment in the main workshop

圖2 BIM、數(shù)值模擬聯(lián)合應(yīng)用的研究路線Fig.2 Research route of application of BIM+numerical simulation

1.2 數(shù)據(jù)交互

BIM與數(shù)值模擬相結(jié)合并進(jìn)行信息傳輸主要是在模型前處理階段,目前BIM模型與數(shù)值仿真模型進(jìn)行信息傳輸?shù)耐緩街饕?種:① 通過內(nèi)部接口進(jìn)行信息傳輸;② 通過外部編程或插件進(jìn)行信息傳輸;③ 通過導(dǎo)出中間格式文件來進(jìn)行信息傳輸。本文BIM技術(shù)與CFD數(shù)值模擬的信息傳輸?shù)耐緩绞侵虚g格式轉(zhuǎn)換,將水輪機(jī)BIM模型通過建模軟件導(dǎo)出與數(shù)值模擬軟件相匹配的stp中間格式文件,實(shí)現(xiàn)了BIM模型與有限元模型的信息交互。目前IFC(Industry Foundation Class)標(biāo)準(zhǔn)是BIM中被廣泛認(rèn)可的模型數(shù)據(jù)交換與共享標(biāo)準(zhǔn),多種BIM軟件都可以導(dǎo)出其中間格式文件[19],IFC標(biāo)準(zhǔn)解決了工程中不同階段信息孤立等問題[20]?；贗FC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑如圖3所示。但是目前來看,基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換機(jī)制并不完善[21-22],在BIM模型與數(shù)值模擬軟件間通過轉(zhuǎn)換中間格式文件進(jìn)行信息傳輸存在一些弊端。如圖4所示,蝸殼在Autodesk Inventor中導(dǎo)出stp格式之后用SpaceClaim讀取打開,發(fā)現(xiàn)蝸殼鼻端有局部缺失的問題,需要對模型進(jìn)行進(jìn)一步修改和優(yōu)化,增加了建模的工作量。

圖3 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸Fig.3 Data transmission based on IFC standard

圖4 BIM模型導(dǎo)入SpaceClaim出現(xiàn)的局部缺失Fig.4 Partial loss during importing SpaceClaim into BIM model

2 蝸殼水力設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)流程

混流式水輪機(jī)蝸殼的水力設(shè)計(jì)工作非常復(fù)雜,不僅要考慮水電站的水力參數(shù),而且還要兼顧多個約束條件,BIM技術(shù)與CFD的聯(lián)合應(yīng)用為蝸殼水力模型建模及求解提供了強(qiáng)有力的支撐。首先,根據(jù)要求對蝸殼進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。在水力設(shè)計(jì)時應(yīng)全面考慮,如應(yīng)考慮采用較大斷面,以保證水流能均勻進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。初步水力設(shè)計(jì)完成之后,根據(jù)水力計(jì)算繪制出設(shè)計(jì)圖,利用BIM技術(shù)完成水輪機(jī)初步設(shè)計(jì)模型的搭建,借助CFD對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行多工況反復(fù)檢驗(yàn)和完善,直至其水力效果達(dá)到要求,最大限度地提高蝸殼的綜合性能。具體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 蝸殼水力設(shè)計(jì)流程Fig.5 Volute hydraulic design process

2.2 水力計(jì)算

蝸殼的水力計(jì)算就是在給定額定水頭Hr、額定流量Qr,以及座環(huán)尺寸的情況下確定蝸殼各斷面的形狀和尺寸,確定蝸殼各個計(jì)算斷面的尺寸,然后繪出單線圖[23]。該水輪機(jī)額定水頭Hr=100 m,額定流量Qr=892 m3/s。圖6為蝸殼與座環(huán)連接的幾何關(guān)系,蝸殼水力設(shè)計(jì)的具體步驟如下。

圖6 蝸殼與座環(huán)相連接的幾何關(guān)系Fig.6 Geometric relationship between volute and seat ring

(1) 確定蝸殼包角φ0。對于該高水頭水電站,因其水流速度和壓力較大而流量相對較小,所以應(yīng)采用全包角(φ0=340°～350°,常選取345°[24])的金屬蝸殼,以獲得較好的水力性能。

(2) 按照式(1)確定進(jìn)口斷面平均流速v0。

(1)

式中:a為蝸殼進(jìn)口斷面流速系數(shù),金屬蝸殼一般取0.7～0.8。

(3) 計(jì)算進(jìn)口斷面半徑ρ0。

蝸殼進(jìn)口流量:

(2)

蝸殼進(jìn)口斷面面積:

(3)

進(jìn)口斷面的半徑:

(4)

(4) 如圖6所示,座環(huán)蝶形邊半徑為rD,高度為h。

(5) 計(jì)算蝸殼系數(shù)C。

(5)

(6)

(6) 定出各計(jì)算斷面的角度φi,然后按照式(7)～(10)計(jì)算出個斷面的尺寸。

(7)

(8)

ai=rD+xi

(9)

Ri=ai+ρi

(10)

式中:xi為斷面中心到座環(huán)外緣蝶形邊的距離;ρi為斷面半徑;ai為斷面中心到主軸中心距離;Ri為斷面外緣到主軸中心的半徑。

(7) 各個斷面尺寸計(jì)算完成之后,在AutoCAD中將蝸殼各計(jì)算斷面的外緣連接起來便可得到蝸殼平面的單線圖,如圖7所示。

圖7 蝸殼平面單線圖(尺寸單位:mm)Fig.7 Volute planar single-line plot

2.3 BIM模型及水力模型

蝸殼水力計(jì)算完成之后,進(jìn)行BIM模型的搭建。蝸殼以及水輪機(jī)整體三維BIM模型采用Autodesk公司開發(fā)的Autodesk Inventor和Bentley公司開發(fā)的OpenBuildings Designer等軟件進(jìn)行水輪機(jī)三維模型的繪制。通過碰撞檢測等可視化功能消除了模型搭建和安裝過程中不協(xié)調(diào)的問題,對于一些非必要的細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理,為之后的流體域抽取減少了不必要的工作,同時也保證了水輪機(jī)水力性能分析的BIM模型需求。水輪機(jī)流體域模型搭建工作在ANSYS平臺里的SpaceClaim軟件中進(jìn)行,讀取水輪機(jī)BIM模型stp文件之后,首先檢查模型的完整性——是否有缺失部件,然后進(jìn)行模型的干涉檢查和間隙檢查,待模型無誤后即可進(jìn)行流體域的抽取工作。水輪機(jī)具體參數(shù)如表1所列,具體BIM模型和流體域水力模型如圖8所示。

表1 水輪機(jī)參數(shù)Tab.1 Turbine parameters

圖8 水輪機(jī)模型Fig.8 Hydraulic turbine model

3 水力模型計(jì)算

3.1 基本控制方程

為了更準(zhǔn)確地模擬水輪機(jī)內(nèi)部流體流動情況,采用應(yīng)用最廣泛的湍流黏性系數(shù)法進(jìn)行模擬分析。假設(shè)流體不可壓縮,由于流體在水輪機(jī)內(nèi)部多做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,流動曲率較大,因此選用了具有較高湍流渦流精度的RNGk-ε模型[25-26],其連續(xù)性方程、動量方程和k、ε方程分別為

連續(xù)性方程:

(11)

式中:t為時間;ρ為流體密度;xi為坐標(biāo)方向(i=1,2,3);ui為速度矢量(i=1,2,3)。

動量方程:

(12)

k-ε方程:

(13)

(14)

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響著計(jì)算的準(zhǔn)確程度和計(jì)算速度,決定著數(shù)值計(jì)算是否能夠較好地收斂。本模型采用ANSYS-Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)模型形狀不規(guī)則,具有一定的復(fù)雜性,所以采用適應(yīng)能力更強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式[27],對于蝸殼鼻端、轉(zhuǎn)輪葉片等特殊區(qū)域進(jìn)行了局部加密處理,在保證網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格生成速度的同時也減少了計(jì)算時間。

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500萬時所得到的數(shù)值基本不變,最終確定水輪機(jī)全流道計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)5 331 268,其中蝸殼區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量224 349,導(dǎo)葉區(qū)網(wǎng)格數(shù)量1 204 272,轉(zhuǎn)輪區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量1 235 916,尾水管區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量2 666 731,平均網(wǎng)格質(zhì)量0.835,網(wǎng)格質(zhì)量良好。網(wǎng)格劃分效果如圖9所示。

圖9 水輪機(jī)過流部件網(wǎng)格模型Fig.9 Mesh model of turbine flow parts

3.3 邊界條件設(shè)置

對于水輪機(jī)全流道模擬而言,選擇合適的邊界條件非常重要,合適的邊界條件會使求解過程更容易收斂。設(shè)定蝸殼進(jìn)口為速度入口,這一邊界條件適用于不可壓縮流,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類算法被廣泛應(yīng)用于不可壓縮流體,發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟[28],因此本文采用了SIMPLE算法來求解壓力速度耦合方程組。

本文依據(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)行了大流量工況、額定流量工況以及小流量工況條件下的數(shù)值模擬計(jì)算,具體工況參數(shù)如表2所列。

表2 模擬工況參數(shù)Tab.2 Simulated case′s parameters

4 計(jì)算結(jié)果及分析

在不同流量下,選取了蝸殼截面進(jìn)行分析,截面位置如圖10所示。

圖10 蝸殼截面Fig.10 Volute section

4.1 蝸殼壓力分析

不同工況下蝸殼截面壓力分布如圖11,12所示。從圖中可以看出:3種不同流量工況下,蝸殼內(nèi)部壓力分布情況基本相似,隨著流量的增加蝸殼及導(dǎo)葉區(qū)的高壓值逐漸增大,最大和最小壓力值之差逐漸增大,負(fù)壓值存在,但是負(fù)壓區(qū)并不明顯。壓力由蝸殼外側(cè)向內(nèi)側(cè)方向逐步減少,呈現(xiàn)出環(huán)向分布,壓力梯度較小,蝸殼不會因?yàn)閴毫μ荻冗^大而產(chǎn)生振動現(xiàn)象影響其穩(wěn)定性。由于蝸殼形狀的約束,流體在其內(nèi)部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,具有向心性,在慣性的作用下,蝸殼外側(cè)局部有較高壓力。導(dǎo)葉的頭部由于受到水流的直接沖擊,出現(xiàn)局部高壓現(xiàn)象。從蝸殼的壓力分布來看,3種工況下的蝸殼流場情況基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖11 不同工況下蝸殼截面1壓力分布Fig.11 Pressure distribution of volute section 1 under different working conditions

圖12 不同工況下蝸殼截面2壓力分布Fig.12 Pressure distribution of volute section 2 under different working conditions

4.2 蝸殼流速分析

各工況下蝸殼中間截面速度分布如圖13所示。從圖中可以看出,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)口均勻地流入蝸殼內(nèi)部,速度逐漸增大,水流到達(dá)轉(zhuǎn)輪出口時速度達(dá)到最大。為了更好地觀察水輪機(jī)內(nèi)部的水流情況,圖14流線分布增加了轉(zhuǎn)輪部分。從圖中可以看出,隨著流量的增大,蝸殼內(nèi)水流的速度越大,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)生突變和渦流現(xiàn)象,由此可見蝸殼的引流效果良好。

圖13 不同工況下蝸殼截面1速度分布Fig.13 Velocity distribution of volute section 1 under different working conditions

圖14 不同工況下蝸殼內(nèi)流線分布Fig.14 Streamline distribution in the volute under different working conditions

總體來說,在大流量工況、設(shè)計(jì)工況和小流量工況條件下的蝸殼內(nèi)部流動狀況比較理想,內(nèi)部壓力和速度分布沿周向分布較為均勻,水流在蝸殼內(nèi)部流動較為平穩(wěn),水力損失較小,蝸殼能夠?qū)⑺鬏^好地引入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中去,其水力性能能夠符合水輪機(jī)的工作要求。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果與BIM模型耦合

通過CFD數(shù)值模擬計(jì)算得出了蝸殼的流速、壓力等水力性能信息,可將其流場信息通過添加屬性的方式賦予到BIM模型構(gòu)件中,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件各位置均有其相應(yīng)水力性能信息屬性。例如通過壓力分布可觀察出高壓區(qū)域,針對該區(qū)域可添加壓力強(qiáng)度信息。當(dāng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造時,可根據(jù)蝸殼此處流場信息屬性開展生產(chǎn)制造,在壓力較小處可適量減少鋼板厚度,以達(dá)到節(jié)省鋼材、節(jié)約成本的目標(biāo)。

5 結(jié) 論

(1) 本文介紹了BIM技術(shù)與CFD相聯(lián)合的應(yīng)用方法及其優(yōu)勢,說明了BIM模塊與CFD模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方式,研究了Autodesk、Bentley等平臺下的幾種主流BIM設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用方法。

(2) 為了驗(yàn)證BIM聯(lián)合CFD進(jìn)行水力設(shè)計(jì)的可行性,針對蝸殼進(jìn)行了水力計(jì)算研究。對設(shè)計(jì)的蝸殼BIM模型流場進(jìn)行了大流量、設(shè)計(jì)流量、小流量3種工況的仿真模擬。結(jié)果表明3種工況下的蝸殼壓力梯度較小,速度分布均勻,流場分布情況良好,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) BIM與CFD相結(jié)合為水力機(jī)械設(shè)計(jì)提供了一個良好的思路。今后可對BIM模型開展進(jìn)一步深化建模以提高其信息承載能力,但是BIM軟件與數(shù)值模擬軟件進(jìn)行中間格式轉(zhuǎn)換時易出現(xiàn)信息丟失的情況,對此還有待優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)BIM模型與數(shù)值模擬結(jié)果雙向鏈接和同步自動耦合還需進(jìn)一步研究。