面向虛擬現實的蝸殼內流體現象研究

摘 要：利用虛擬現實技術是水輪機研究的一種方法，其可視性和臨境感十分有效。蝸殼屬于進水部分，蝸殼內的水力學形態十分重要，直接影響到水輪機的輸出功率。通過分析蝸殼內體積變化和水流形態，利用虛擬現實中的粒子系統，將蝸殼內水力學特性與湍流流態用計算機展現出來，分析影響蝸殼內湍流形態的因素并利用虛擬物體模擬其湍流現象。

關鍵詞：虛擬現實；蝸殼；流體

引言

虛擬現實應用于水輪機運行仿真具有重大意義[1]，其功能可以替代投資數千萬元的大型水利試驗室，徹底改變對于水輪機的運行認知方式。其中水輪機的進水部分中金屬蝸殼的虛擬現實的實現最為復雜，由于蝸殼模型具有超級的圓滑性和弧線外觀，如果制作高精度蝸殼，三維模型的三角面數往往達到數百萬，而蝸殼內的流體模擬更是困難，當蝸殼進水后，橫截面積會越來越小以適應水壓的變化，同時蝸殼尾端連接的導葉開閉也會導致水流的湍流現象產生。如何改進虛擬現實中湍流現象的模擬，即在虛擬現實平臺上當操作者控制導葉時，蝸客內的流體現象會隨著導葉的開閉而產生不同的湍流現象是非常有意義的。

1 虛擬現實中蝸殼的實現

蝸殼的三維模型創建是非常重要的，面數和曲率直接影響虛擬化的效果。軟件方面可以直接使用3Dmax，Pro/E等，目前國內由于Autodesk公司的開放性，導出格式FBX是比較普遍的，無論選何種軟件，建模方式最常用的有以下兩種：第一是利用loft放樣建模，在放樣線上，只要各截面線符合蝸殼的設計參數即可，但是生成的模型大多為NURBS模型，需要轉換為多邊形模型，轉換過程中注意盡量使用四邊面再導入虛擬環境中測試即可。第二是直接用多邊形建模，利用多邊形最后的Smooth功能將蝸殼圓滑，但是圓滑后有兩個問題，就是輕微的縮小變形和面的密度很難控制。所以大多采用NURBS放樣建模后轉換成多邊形。

在導入虛擬現實環境中之前，需要考慮虛擬現實對計算機的高性能要求，所以需要盡量優化以下四點（1）模型結構采用較高的精度，一般要利用Lod來優化。（2）模型在場景中有兩個以上，就要利用代理最大可能的采用重用機制，比如焊孔，螺絲等。（3）模型在虛擬空間中有燈光，就盡量使用方向燈減少運算量。（4）模型的材質盡量少用高清貼圖，可利用點著色和法線貼圖來代替。

2 流體在虛擬現實中實現

虛擬現實系統中有很多種流體的實現方法，其中用粒子模擬水的方法最為優秀，流體粒子系統首先確定粒子最基本的特性值，如初始位置、初始速率（向量，包括速度和方向）、初始大小、初始顏色、初始透明性、形狀和生存規則等。一個典型的粒子系統是一個包括了粒子發射器、粒子動畫和粒子渲染器在內的完整系統，其中粒子發射器產生粒子，粒子動畫在時間軸上移動它，粒子渲染器在屏幕上渲染它們[2]。

蝸殼內的粒子流就是在蝸殼入口處建立粒子發射器，發射器選面發射，發射方向和蝸殼內表面積縮小方向一致。此時蝸殼內就有了流體，只是流體缺少碰撞和反彈，即此時的流體沒有任何湍流現象。

3 影響蝸殼內湍流模型的因素及實現

真實情況的蝸殼內流體不是直線的，通過分析壓力，測量結果指出在小流量工況時蝸殼內沿液流方向的壓力分布呈現出由大變小再變大的分布規律，中高流量工況時蝸殼內壓力分布的降速擴壓的特征明顯，這些分布規律必須在虛擬現實中呈現出來。另外，如果操作者關閉進水導葉，那么蝸殼內的湍流現象會急劇增加，蝸殼的內壁通過外輪廓線的縮小也應該對粒子流體產生更多的碰撞和湍流。

3.1 蝸殼的橫截面積變化時流體實現

在實現過程中我們無法將一個發射器生產出來的粒子按照斷面面積的變化而變化，也就是說當斷面面積變小時，粒子的斷面面積不變，而粒子的生產速度不變，就會產生水流跑到蝸殼外面的效果。

此時可以利用有限積分的方法解決，在蝸殼斷面面積變化過程中，按照建模過程中的放樣分割線，將整個蝸殼分割成15個獨立的部分，每個部分可以看作是單一的圓柱體，并且在每個獨立的部分放置一個粒子發射器，經測試，仿真效果非常好，缺點是運算量達到原來的15倍之多。

3.2 蝸殼的曲率變化對粒子的影響

3.3 導葉開度對粒子的影響

在最優水頭下，導葉最優開度時，水輪機輸出功率最大，此時可以用粒子系統模擬直接進入水輪機。當導葉開度變化時，開度和流量的關系也可以通過公式計算出來。此時粒子系統在導葉開度變小時，就應該將噴射的粒子變少，同時，變少的粒子量，應該向后噴射，和反方向的粒子碰撞形成湍流。那么我們可以設定變量Number，當導葉開度為最大時，Number=0，當導葉開度最小時，Number=100，在噴射粒子中可以通過NumParts=（MeanParts-Number）*ScreenArea來計算粒子系統所占屏幕的比率來計算粒子應該噴射多少。當Number不為0時，也就是導葉開度減少時，建立第三套粒子噴射系統，采用的發射類型和位置與第二套完全相同，只是噴射方向相反，這樣當導葉慢慢閉合時，我們肉眼可見的效果就是通過導葉流下的粒子變少，同時還有和減少量相同的粒子向后方噴射，與第一套粒子混合在一起，為了效果明顯，可以將三套粒子分別給予不同和顏色。在虛擬系統中我們就可以非常清晰的看到當導葉開閉時流體的變化。

4 結束語

在實現水輪機虛擬現實的整個過程中，粒子與物體碰撞一般都采用碰撞包圍盒，在速度上占很大優勢，所以壩體或者尾水管的流體碰撞可以采用AABB，或者OBB碰撞包圍盒來處理，對系統的運行基本不產生負擔。但是對于弧形或者其它形狀的物體，如蝸殼和導葉，粒子碰撞會消耗大量的時間，即使可以利用分解碰撞包圍盒的方法來提高運算速度，也是非常耗時的。為了在運行時大大提高運行速度使得整體運行狀態良好，采用非碰撞的方式來處理蝸殼和導葉之間的湍流現象大大節約了碰撞檢測的時間，提高了虛擬現實的即時性。通過利用虛擬現實技術，可以實現蝸殼內任意角度的觀測，同時利用輸入設備，使用者可以任意操作導葉開度，又可以模擬人在水下觀測并可以任意操作水輪機的運行。虛擬現實技術的多樣化和多元化必然是未來的主要發展方向。

參考文獻

[1]石教英.虛擬現實基礎及實用算法[M].北京：科學出版社，2002.

[2]吳繼承，江南虛.擬現實中粒子系統的設計與應用[J].計算機仿真，2004.

[3]張武高.流量對離心泵蝸殼內壓力及速度分布的影響[J].石油機械.

作者簡介：孫浩鵬（1975-），男（漢），吉林長春人，講師，主要研究：計算機應用。