聯合BIM和CFD的混流式水輪機蝸殼水力設計

孫 少 楠,劉 肖 杰,肖 佳 華,馬 奔,張 志 恒

(1.華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450046; 2.上海勘測設計研究院有限公司,上海 200335)

0 引 言

近年來,BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)技術發展十分迅速,因其參數化、標準化等優勢,已在各類工程中得到廣泛的推廣和應用[1-2],在土建工程、機械設備方面的應用也取得了較好的成果。王寧[1],李春生[2]等闡述了BIM在水利工程中的應用。Wang等[3]開發了一個實用的BIM框架,用于集成從初步設計到施工階段的MEP(Mechanical,Electrical,Plumbing,即機械、電氣、管道)布局;解曉明[4]分析了BIM技術在建筑設備運維管理中的應用優勢,構建了BIM運維信息數據庫;閆嘯坤等[5]基于GIS平臺,融合BIM模型,構建了基于BIM+GIS的鐵路橋梁設備管理系統,推進了鐵路橋梁設備標準化、信息化、精細化、智能化管理進程;孫鑫[6],李帥[7]等預先采用BIM技術進行各專業碰撞試驗,減少了機電設備安裝施工過程中不同專業沖突,避免了不必要的返工,提高了工程效益。綜合看來,BIM技術在機械設備中的應用可觀,但是目前很少有人將BIM技術應用于水力機械設計中,傳統的二維設計已落后于機械專業的需求,故尋求一種機械專業的BIM設計方法迫在眉睫[5,8]。

隨著行業的不斷發展,BIM技術也逐漸暴露出來一些缺陷,例如BIM技術應用于設計階段的過程中難以進行設計產物性能的分析預演,而利用CFD數值模擬可以判斷設計模型的水力性能是否良好。Patel等[9]闡述了計算流體力學在模擬水輪機運行方面的各種應用,還簡要討論了與CFD相結合的各種優化技術如何優化水輪機水力性能;李銀各等[10]基于ANSYS-Workbench商業軟件對向心式壓氣機進行了數值模擬和優化,根據模擬結果找到了向心式壓氣機的較優工況,分析了向心式壓氣機的變工況特性;趙勇等[11]采用CFD方法進行離心泵水力性能優化分析,結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]等采用流場數值模擬的方法對優化改造之后的水輪機性能進行了預測,結果表明改造之后的水輪機內部流動特性得到了改善,運行穩定性得到了提高。可見通過CFD數值模擬對機械設備進行性能預測和優化的可行性較高,但是將BIM與CFD相結合應用于機械設計中的研究較少。

本文嘗試將BIM技術應用于水力機械設計中,然后聯合BIM與CFD進行水力機械設計。混流式水輪機內部通流部件的水力設計影響著整座電站的發電效益和穩定運行[14],蝸殼作為水流流經水輪機的第一個部件,對于整個機組的性能有著重要的影響[15-16]。本文以HLFN-LJ-930混流式水輪機為例,重點開展蝸殼水力計算、BIM模型設計搭建和水力性能數值模擬分析,驗證BIM和CFD的聯合應用在水力機械設計中的可行性,為類似工程提供參考。

1 BIM和CFD聯合分析

1.1 分析流程

BIM技術是一種強大的解決方案[17]。主廠房機電設備總裝如圖1所示,在水力機械設備裝配完成之后,利用BIM技術可視化等特點可以檢查三維模型的完整性和合理性,實現了設計效率和質量相互促進提高的良性循環[18]。CFD數值模擬可以彌補BIM技術難以進行水力機械水力性能檢驗的短板。BIM技術與CFD相結合,提高了BIM技術的使用價值,既保證了BIM模型的準確性,又減少了數值模擬過程中重復建模的次數,優化了數值模擬流程。BIM技術和CFD聯合應用的研究路線如圖2所示。

圖1 主廠房機電設備總裝Fig.1 Final assembly of mechanical and electrical equipment in the main workshop

圖2 BIM、數值模擬聯合應用的研究路線Fig.2 Research route of application of BIM+numerical simulation

1.2 數據交互

BIM與數值模擬相結合并進行信息傳輸主要是在模型前處理階段,目前BIM模型與數值仿真模型進行信息傳輸的途徑主要有3種:① 通過內部接口進行信息傳輸;② 通過外部編程或插件進行信息傳輸;③ 通過導出中間格式文件來進行信息傳輸。本文BIM技術與CFD數值模擬的信息傳輸的途徑是中間格式轉換,將水輪機BIM模型通過建模軟件導出與數值模擬軟件相匹配的stp中間格式文件,實現了BIM模型與有限元模型的信息交互。目前IFC(Industry Foundation Class)標準是BIM中被廣泛認可的模型數據交換與共享標準,多種BIM軟件都可以導出其中間格式文件[19],IFC標準解決了工程中不同階段信息孤立等問題[20]。基于IFC標準的數據傳輸路徑如圖3所示。但是目前來看,基于IFC標準的轉換機制并不完善[21-22],在BIM模型與數值模擬軟件間通過轉換中間格式文件進行信息傳輸存在一些弊端。如圖4所示,蝸殼在Autodesk Inventor中導出stp格式之后用SpaceClaim讀取打開,發現蝸殼鼻端有局部缺失的問題,需要對模型進行進一步修改和優化,增加了建模的工作量。

圖3 基于IFC標準的數據傳輸Fig.3 Data transmission based on IFC standard

圖4 BIM模型導入SpaceClaim出現的局部缺失Fig.4 Partial loss during importing SpaceClaim into BIM model

2 蝸殼水力設計

2.1 設計流程

混流式水輪機蝸殼的水力設計工作非常復雜,不僅要考慮水電站的水力參數,而且還要兼顧多個約束條件,BIM技術與CFD的聯合應用為蝸殼水力模型建模及求解提供了強有力的支撐。首先,根據要求對蝸殼進行初步設計。在水力設計時應全面考慮,如應考慮采用較大斷面,以保證水流能均勻進入導水機構。初步水力設計完成之后,根據水力計算繪制出設計圖,利用BIM技術完成水輪機初步設計模型的搭建,借助CFD對實驗模型進行多工況反復檢驗和完善,直至其水力效果達到要求,最大限度地提高蝸殼的綜合性能。具體設計流程如圖5所示。

圖5 蝸殼水力設計流程Fig.5 Volute hydraulic design process

2.2 水力計算

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

圖6 蝸殼與座環相連接的幾何關系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)確定進口斷面平均流速v0。

(1)

式中:a為蝸殼進口斷面流速系數,金屬蝸殼一般取0.7～0.8。

(3) 計算進口斷面半徑ρ0。

蝸殼進口流量:

(2)

蝸殼進口斷面面積:

(3)

進口斷面的半徑:

(4)

(4) 如圖6所示,座環蝶形邊半徑為rD,高度為h。

(5) 計算蝸殼系數C。

(5)

(6)

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

(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) 各個斷面尺寸計算完成之后,在AutoCAD中將蝸殼各計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

蝸殼水力計算完成之后,進行BIM模型的搭建。蝸殼以及水輪機整體三維BIM模型采用Autodesk公司開發的Autodesk Inventor和Bentley公司開發的OpenBuildings Designer等軟件進行水輪機三維模型的繪制。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調的問題,對于一些非必要的細小結構進行了簡化處理,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水力性能分析的BIM模型需求。水輪機流體域模型搭建工作在ANSYS平臺里的SpaceClaim軟件中進行,讀取水輪機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,然后進行模型的干涉檢查和間隙檢查,待模型無誤后即可進行流體域的抽取工作。水輪機具體參數如表1所列,具體BIM模型和流體域水力模型如圖8所示。

表1 水輪機參數Tab.1 Turbine parameters

圖8 水輪機模型Fig.8 Hydraulic turbine model

3 水力模型計算

3.1 基本控制方程

為了更準確地模擬水輪機內部流體流動情況,采用應用最廣泛的湍流黏性系數法進行模擬分析。假設流體不可壓縮,由于流體在水輪機內部多做旋轉運動,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],其連續性方程、動量方程和k、ε方程分別為

連續性方程:

(11)

式中:t為時間;ρ為流體密度;xi為坐標方向(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 網格劃分

網格質量直接影響著計算的準確程度和計算速度,決定著數值計算是否能夠較好地收斂。本模型采用ANSYS-Mesh進行網格劃分,由于水輪機結構模型形狀不規則,具有一定的復雜性,所以采用適應能力更強的非結構化網格劃分方式[27],對于蝸殼鼻端、轉輪葉片等特殊區域進行了局部加密處理,在保證網格質量和網格生成速度的同時也減少了計算時間。

經過網格無關性驗證,水輪機全流道網格總數達到500萬時所得到的數值基本不變,最終確定水輪機全流道計算網格總數5 331 268,其中蝸殼區域網格數量224 349,導葉區網格數量1 204 272,轉輪區域網格數量1 235 916,尾水管區域網格數量2 666 731,平均網格質量0.835,網格質量良好。網格劃分效果如圖9所示。

圖9 水輪機過流部件網格模型Fig.9 Mesh model of turbine flow parts

3.3 邊界條件設置

對于水輪機全流道模擬而言,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。設定蝸殼進口為速度入口,這一邊界條件適用于不可壓縮流,速度大小由流量除以進口斷面面積來確定,方向垂直于進口斷面;設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類算法被廣泛應用于不可壓縮流體,發展至今已經比較成熟[28],因此本文采用了SIMPLE算法來求解壓力速度耦合方程組。

本文依據該水輪機實際的工作條件,設計3種模擬工況,分別進行了大流量工況、額定流量工況以及小流量工況條件下的數值模擬計算,具體工況參數如表2所列。

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

4 計算結果及分析

在不同流量下,選取了蝸殼截面進行分析,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,蝸殼內部壓力分布情況基本相似,隨著流量的增加蝸殼及導葉區的高壓值逐漸增大,最大和最小壓力值之差逐漸增大,負壓值存在,但是負壓區并不明顯。壓力由蝸殼外側向內側方向逐步減少,呈現出環向分布,壓力梯度較小,蝸殼不會因為壓力梯度過大而產生振動現象影響其穩定性。由于蝸殼形狀的約束,流體在其內部進行旋轉運動,具有向心性,在慣性的作用下,蝸殼外側局部有較高壓力。導葉的頭部由于受到水流的直接沖擊,出現局部高壓現象。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計要求。

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種工況下蝸殼內部流速分布都較為均勻,水流從蝸殼進口均勻地流入蝸殼內部,速度逐漸增大,水流到達轉輪出口時速度達到最大。為了更好地觀察水輪機內部的水流情況,圖14流線分布增加了轉輪部分。從圖中可以看出,隨著流量的增大,蝸殼內水流的速度越大,水流能以較高的速度進入導葉區并經過轉輪流出,速度沿向心方向逐步增大,過渡較為平穩,沒有產生突變和渦流現象,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、設計工況和小流量工況條件下的蝸殼內部流動狀況比較理想,內部壓力和速度分布沿周向分布較為均勻,水流在蝸殼內部流動較為平穩,水力損失較小,蝸殼能夠將水流較好地引入導水機構中去,其水力性能能夠符合水輪機的工作要求。

4.3 數值模擬結果與BIM模型耦合

通過CFD數值模擬計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模型構件中,實現構件各位置均有其相應水力性能信息屬性。例如通過壓力分布可觀察出高壓區域,針對該區域可添加壓力強度信息。當設計生產制造時,可根據蝸殼此處流場信息屬性開展生產制造,在壓力較小處可適量減少鋼板厚度,以達到節省鋼材、節約成本的目標。

5 結 論

(1) 本文介紹了BIM技術與CFD相聯合的應用方法及其優勢,說明了BIM模塊與CFD模塊進行數據交互的方式,研究了Autodesk、Bentley等平臺下的幾種主流BIM設計軟件的應用方法。

(2) 為了驗證BIM聯合CFD進行水力設計的可行性,針對蝸殼進行了水力計算研究。對設計的蝸殼BIM模型流場進行了大流量、設計流量、小流量3種工況的仿真模擬。結果表明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,能夠滿足設計要求。

(3) BIM與CFD相結合為水力機械設計提供了一個良好的思路。今后可對BIM模型開展進一步深化建模以提高其信息承載能力,但是BIM軟件與數值模擬軟件進行中間格式轉換時易出現信息丟失的情況,對此還有待優化,實現BIM模型與數值模擬結果雙向鏈接和同步自動耦合還需進一步研究。