基于BIM＋数值模拟的混流式水轮机设计

关键词：ＢＩＭ；数值模拟；混流式水轮机；数据交互；Ｉｎｖｅｎｔｏｒ；Ｆｌｕｅｎｔ

０引言

当前ＢＩＭ（ＢｕｉｌｄｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ）技术已广泛应用于建筑、交通、水利等各个领域［１－３］。ＢＩＭ技术参数化、标准化等设计理念打破传统设计方法信息脱节、效率低下的状况，基于ＢＩＭ技术的参数化设计逐渐成为一种趋势［４］。王宁等［５］依托Ｒｅｖｉｔ平台展示了水利工程ＢＩＭ三维设计的具体过程，详细阐述了ＢＩＭ设计成果的具体应用；张鹏利等［６］基于达索３ＤＥＸＰＥＲＩＥＮＣＥ平台开发了一套基于ＢＩＭ技术的水利水电工程设计体系；黄桂林等［７］以碾盘山水电站枢纽三维设计为例，介绍了ＢＩＭ技术的设计平台、流程及成果。ＢＩＭ技术在水利工程的应用可观，但是很少有人将ＢＩＭ技术应用于水力机械的设计阶段。

随着行业的不断发展，ＢＩＭ技术逐渐暴露出来一些缺陷，比如ＢＩＭ应用于设计阶段时缺少对设计产物性能预演分析的环节，而利用ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）数值模拟可以评价设计模型的水力性能。雷恒等［８］通过数值模拟对增容改造之后的水轮机性能进行了预测；席本强等［９］为研究旋管式离心泵的内流场特性，利用Ｆｌｕｅｎｔ软件和数值模拟方法对旋管体内流场进行了三维数值模拟；田亚平等［１０］借助数值试验平台对改造前后的水轮机进行全流道三维流场数值计算及性能预测，分析了水轮机改造前后的水动力学差异。可见数值模拟能够有效预测设计产物的性能，但是很少有人将ＢＩＭ与数值模拟相结合应用于水力机械设计中。

近年来，大型水利水电工程兴建中水轮机作为必不可少的水力机械，其性能的优劣决定水电能源的开发利用率，影响着整座电站的发电效益和稳定性［１１－１３］。水轮机设计是一项非常复杂的过程，设计过程中会产生大量的数据信息。本文将ＢＩＭ技术应用于ＨＬＦＮ－ＬＪ－９３０混流式水轮机设计中，对其进行不同流量工况的数值模拟计算，验证基于ＢＩＭ＋数值模拟进行水轮机设计的可行性，以期为类似工程提供参考。

１水轮机设计流程分析

水轮机内流场具有一定的复杂性，针对水轮机设计过程中的各种问题应该分清主次、统筹兼顾，寻求系统有效的解决途径。随着计算机的发展和水力发电需求的增大，单纯利用三维设计软件进行水轮机设计已经不能满足设计要求，还应进行设计产物的水力性能检验，因此水轮机设计应该包括三维模型设计和数值模拟仿真检验两部分，具体流程见图１。ＢＩＭ作为一个基于对象的模型和协作平台，为ＣＦＤ数值仿真提供相关的物理参数，而ＣＦＤ通过特定的数值计算来探索假设场景，ＢＩＭ与数值模拟相结合的方法为水轮机设计提供良好的设计环境。完成数值模拟分析之后可根据分析结果进行水轮机ＢＩＭ模型的优化设计，使ＢＩＭ模型更加完善，最大限度地提高水轮机设计的全面性。

２ＢＩＭ模型与数值模拟数据交互

ＢＩＭ模型与数值模拟分析软件进行数据交互的途径有３种：一是通过内部接口进行数据传输；二是通过外部编程或插件进行数据传输；三是通过导出中间格式文件进行数据传输。本文采用内部接口进行数据传输。ＡＮＳＹＳ平台集成流体力学等多个模块，其中Ｆｌｕｅｎｔ是目前实用性较强、功能较为强大的计算流体动力学的工具。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ软件提供ＡＰＩ端口，目前Ｉｎ⁃ｖｅｎｔｏｒ与ＡＮＳＹＳ已经实现无缝衔接，二者之间具有较强的交互能力，在ＡＮＳＹＳ－ＣＡＤＣｏｎｆｉｇｕｒｅＭａｎａｇｅｒ中勾选Ｉｎｖｅｎｔｏｒ，即可打开Ｉｎｖｅｎｔｏｒ与ＡＮＳＹＳ的集成端口，把ＡＮＳＹＳ嵌入Ｉｎｖｅｎｔｏｒ，模型搭建完成之后在Ｉｎ⁃ｖｅｎｔｏｒ中可直接调用嵌入Ｉｎｖｅｎｔｏｒ内部的ＡＮＳＹＳ版块，模型能直接加载到ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ环境中，在ＡＮＳＹＳ平台调用Ｆｌｕｅｎｔ可进行后续模拟，保证模型数据的完整性和丰富性。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ与ＡＮＳＹＳ数据交互场景见图２。

３基于ＢＩＭ的水轮机设计应用

水轮机部件结构复杂且数量较多，在水轮机设计过程中会产生大量的数据信息，信息流动是整个设计流程的核心，ＢＩＭ技术能以集成方式储存和管理整个设计过程产生的各种信息。借助ＢＩＭ协同设计平台，模型建立完成之后可上传至平台共享给各个设计参与方，各参与方可直接在平台打开查看和修改。可视化功能是ＢＩＭ技术最有价值、实用性最强的功能，如图３所示在完成主厂房机电各专业设备装配之后，利用ＢＩＭ技术强大的可视化功能进行模型的逻辑性和合理性校验，减少后期各个专业施工安装过程中可能产生的不协调现象，提高设计质量和效率。

Ｉｎｖｅｎｔｏｒ是Ａｕｔｏｄｅｓｋ平台中机械专业的设计软件，涵盖零部件设计及装配、工程图设计等设计全过程，不仅能够进行三维模型的搭建，而且能够与其他软件进行数据共享。借助Ｉｎｖｅｎｔｏｒ可以进行设计模型的碰撞检测工作，以及相邻部件或者模型整体内部的干涉检查，如果存在干涉现象，软件会标红显示，弹出一个包含干涉体积和干涉类型的对话框，方便设计人员进行修改。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ内部还设有ＢＩＭ模块，可添加零部件设计人员、制造厂商、材质、质量等详細信息，可导出包含水轮机各个零部件的物料清单ＢＯＭ表，为后期构件加工制造以及成本核算提供依据。Ｉｎｖｅｎｔｏｒ操作界面与模型设计成果见图４。ＨＬＦＮ－ＬＪ－９３０混流式水轮机参数如下：转轮半径９３００ｍｍ，转轮叶片个数１５个，导叶个数２８个，蜗壳形式为金属蜗壳，额定流量８９２ｍ３／ｓ，额定出力８１２ＭＷ，最大水头１１４ｍ，额定水头１００ｍ，最小水头８６ｍ。

４数值模拟

水轮机的过流部件形状不规则，不易掌握水流运动规律。目前水轮机过流部件的性能模拟研究分为两类：一类是水轮机物理模型实验，其容易受条件限制，需要耗费大量时间和金钱；还有一类是利用计算机辅助工程ＣＡＥ技术进行ＣＦＤ数值模拟分析，这类实验研究不受时间和空间的限制，大大缩短设计时间成本，节省设计费用。

４．１水力模型与数学模型

４．１．１水力模型

将水轮机ＢＩＭ模型载入ＡＮＳＹＳ－ＳｐａｃｅＣｌａｉｍ，再次检查确认水轮机ＢＩＭ模型没有错、漏、碰撞现象之后，进行水轮机模型的简化（见图５），删减不必要的细小部件，搭建水力模型，以便于后续水轮机流体域抽取。简化后水轮机流体域主要包括蜗壳、转轮、导叶和尾水管４个部分。

４．１．２数学模型

流体在水轮机内部多做旋转运动，ＲＮＧｋ－ε模型考虑了流体的旋转状态，能够较好地模拟水流在水轮机内部的流动情况［１４］，因此选用具有较高湍流、涡流精度的ＲＮＧｋ－ε模型，其连续性方程、雷诺方程和ｋ－ε方程如下。

４．２网格划分及参数设置

４．２．１网格划分

网格质量直接影响数值模拟计算的速度和准确性，采用ＡＮＳＹＳ－Ｍｅｓｈ对模型进行网格划分，经过网格无关性验证，水轮机全流道网格总数达到５００万时所得到的数值基本不变，最终确定水轮机全流道網格总数５３３１２６８，网格划分效果见图６。蜗壳网格数量２２４３４９，导叶网格数量１２０４２７２，转轮网格数量１２３５９１６，尾水管网格数量２６６６７３１，平均网格质量０．８３５，网格质量良好。

４．２．２参数设置

合适的边界条件有利于计算过程的收敛，水轮机内流体为不可压缩流，设定蜗壳进口为速度入口，速度大小由流量除以进口断面面积来确定，方向垂直于进口断面。设定尾水管为压力出口，参考压力为一个大气压。固体壁面采用光滑、无滑移壁面边界条件。ＳＩＭＰＬＥ算法被广泛应用于不可压缩流体［１４］，因此采用ＳＩＭＰＬＥ算法求解压力场。

依据该水轮机实际的工作条件，设计３种模拟工况，分别进行大流量工况、额定流量工况以及小流量工况下的数值模拟计算，具体工况参数见表１。

４．３计算结果及分析

４．３．１蜗壳层流场分析

各工况下蜗壳层中间截面压力分布见图７。可以看出，随着流量增大，蜗壳、导叶和转轮区的压力峰值逐渐增大，蜗壳外侧向内侧方向压力逐渐减小，呈现出环向分布，压力梯度较小，蜗壳不会因压力梯度过大而产生振动现象影响其稳定性。导叶的头部受到水流的直接冲击，导致其局部出现高压现象。转轮叶片背部区域出现负压，说明叶片背部易发生空化现象。

各工况下蜗壳层中间截面速度分布见图８，流线分布见图９。从图８可以看出，３种工况下蜗壳内部流速分布都较为均匀，水流从蜗壳进口均匀流入蜗壳内部，越靠近转轮叶片水流速度越小，越靠近流道中心区域水流速度越大，过渡较为平稳。从图９可以看出，水流在蜗壳内部流动过程中没有出现涡流现象，流线较为顺畅，没有产生突变现象，流态良好，水流到达转轮出口时速度最大，水流能以较高的速度进入导叶区并经过转轮流出，速度沿向心方向逐步增大，过渡较为平稳，没有产生突变现象。

４．３．２尾水管流场分析

各工况下尾水管中间截面压力分布见图１０。可以看出，尾水管进口位置出现负压，并且流量越大负压区越明显，这是因为水流经过转轮后以周向流动方式进入尾水管，产生了低压空腔，在这些区域容易出现空化涡带，影响水轮机的稳定性。

各工况下尾水管中间截面速度分布、流线分布分别见图１１、图１２。可以看出，尾水管内水流从进口到出口速度逐渐减小，尾水管内流体存在涡流现象，并且随着流量增大内部水流涡流越明显。不同流量下尾水管进口位置出现低速区域，其周围伴随着高速区，可以推断出该区域出现了旋涡，尾水管有可能产生振动现象进而影响水轮机组的稳定性。

５深化设计

通过水轮机数值模拟计算，得出水轮机在不同工况的流场数据，可以根据这些数据进行水轮机深化设计。从数值模拟结果可以看出，转轮和尾水管局部区域易发生空化现象，因此在进行转轮叶片、尾水管部件设计时可以修改转轮叶片形式，采用抗汽蚀稳定性好的材料来减轻汽蚀破坏的程度。此外，可以根据蜗壳区域的压力分布进行蜗壳制造材料的分区分配，在蜗壳壁面压力较大区域分配有足够强度和厚度的钢板，在压力较小区域适当减小钢板厚度，以达到节约用材的目的。可以在Ｉｎｖｅｎｔｏｒ中以添加ＢＩＭ内容的方式赋予零部件相应的信息属性，将数值模拟结果耦合到ＢＩＭ模型中，丰富模型的信息程度，为水轮机深化设计工作提供可参考的数据信息。

６结论

采用ＢＩＭ技术与数值模拟相结合的方式进行水轮机设计，可优化设计流程，提高设计质量，节约时间成本。针对混流式水轮机进行不同流量工况的数值模拟计算，发现蜗壳水力性能良好，转轮和尾水管局部区域容易发生空化现象，需进一步优化设计以改善机组整体性能，对ＢＩＭ模型进一步深化以提高其信息承载能力。