（流体机械及工程专业论文）大泵流道cad方法与技术研究.pdf

许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究 i 摘要 大型泵站中流道设计是整个泵站工程设计的关键，设计得好坏直接影响其可 观的经济效益和社会效益。泵站工程中流道的研究目前大多集中在模型试验方面， 理论研究主要在流道内部三维流动的理论和计算方法上，而流道c a d 方法与技术 的研究相对较少，基于c f d 的流道流场模拟、可视化方法与实现的研究刚刚起步。 随着泵站工程和c a d 技术的迅速发展，人们对流道c a d 系统提出了更高的要求。 本文基于a u t oc a d 开发平台，在新的开发环境o b j e c t a r x 支持下，采用面向 对象的可视化编程工具v i s u a lc + + 6 0 研究泵站进出水流道c a d 方法与技术。 本论文着重将先进的c a d 方法与技术应用到泵站流道的设计中，重点内容主 要包括两个部分： ( 1 ) 利用先进的c a d 方法和技术升级、扩充原流道c a d 功能，并对涉及到的 c a d 方法和主要实现技术进行研究。 ( 2 ) 对基于流道c f d 三维数值计算的流场可视化和模拟方法作进一步的探 索。 本文主要创新点： ( 1 ) 将先进的c a d 技术与方法进一步引入到泵站流道设计中，使其设计更具 科学性，先进性和高效率等； ( 2 ) 对流道c a d 设计方法作了有益探索，如基于a r x 实体驱动的参数化方法 实现及从三维n - 维的流道c a d 设计方法等； ( 3 ) 对流道三维造型的方法等作了较为深入地研究； 。 ( 4 ) 对流道设计中一些数学模型问题，如肘形弯曲段的数模分析与应用、过 渡圆角的变化规律等作了一些探索； ( 5 ) 继续探索了基于流道c f d 三维计算流场的可视化和模拟方法与实现技术 等。 关键词：泵站流道设计c a d 参数化三维造型可视化模拟 h 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a s s a g e w a y sd e s i g ni st h ek e yd e s i g no ft h ew h o l ep r o j e c ti nt h el a r g ep u m p s t a t i o n , t h er e s u l t so f w h i c hw i l ld i r e c t l ya f f e c ti t sc o n s i d e r a b l ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya n d t h es o c i a le f f i c i e n c y a tp r o s e n t , r e s e a r c h e so nt h ep a s s a g e w a y so fp u m ps t a t i o na r e m o s t l yf o c u so nt h em o d e lt r a i l ，a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sa r em a i n l yi nt h ei n t e r i o r t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wt h e o r ya n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d r e s e a r c h e so nt h ec a d m e t h o da n dt e c h n o l o g yi nt h ed e s i g no ft h ep a s s a g e w a y so fp u m ps t a t i o na r er e l a t i v e l y v e r yf e wa tp r e s e n t , a n dr e s e a r c h e so nt h es i m u l a t i o no f f l o wf i e l d s ，t h em e t h o da n d r e a l i z a t i o no fv i s u a l i z a t i o nb a s e do nc f do fp a s s a g e w a y sa r ej u s ts t a r t e d w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp u m ps t a t i o na n dc a dt e c h n o l o g y , p e o p l es e tah i g h e rr e q u e s tt ot h e c a d s y s t e mo f t h ep a s s a g e w a y s b a s e do nt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fa u t o c a d w i t ht h es u p p o r t i n go fo b j e c t a r x ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ec a dm e t h o da n dt e c h n o l o g yi nt h ed e s i g no ft h e p a s s a g e w a y so fp u m ps t a t i o n ，b ya d o p t i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt o o lo f y i s n a lc + + 6 o t l l i sp a p e re m p h a t i c a l l ya p p l i e st h ea d v a n c e dc a dm e t h o da n dt e c h n o l o g yi n t o t h ed e s i g no f p a s s a g e w a y so f p u m ps t a t i o n t w om a i nc o n t e n t sa r ei n c l u d e d ： ( 1 ) u s i n gt h ea d v a n c e dc a dm e t h o da n dt e c h n o l o g y , i m p r o v ea n de x p a n dt h e o r i g i n a lp a s s a g e w a y sc a df u n c t i o n ，a n dd i s c u s st h ec a dm e t h o da n dt h er e a l i z a t i o n t e c h n o l o g yw h i c hr e l a t et o ( 2 ) f u r t h e re x p l o r e t h ev i s u a l i z a t i o no f3 dc o m p u t a t i o n a lf l o wf i e l d sa n dt h e s i m u l a t e dm e t h o da n dt e c h n o l o g yb a s e do np a s s a g e w a y sc f do f p u m ps t a t i o n n l em a i nc r e a t i o n so f t h i sp a p e r ： ( 1 ) i n t r o d u c et h ea d v a n c e dc a dm e t h o da n dt e c h n o l o g yi n t ot h ed e s i g no ft h e p a s s a g e w a y s o fp u m p s t a t i o n ，m a k i n g t h ed e s i g nh a v et h es c i e n t i f i c a l n e s s ，t h e s o p h i s t i c a t i o na n dh i 曲e f f i c i e n c y , a n ds oo n ( 2 ) m a k es o m eu s e f u le x p l o r a t i o n st ot h ep a s s a g e w a y sc a dd e s i g nm e t h o d ，e gt h e m e t h o do fp a r a m e t r i cd e s i g nb a s e do na r xe n t i t yo b j e c t sd r i v i n ga n dt h em e t h o do f p a s s a g e w a y sd e s i g nf r o mt h r e e d i m e n s i o nt 0t w o d i m e n s i o na n d s oo n ( 3 ) s t u d yt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gd e e p l yd u r i n gt h ed e s i g no f p a s s a g e w a y s ( 4 ) m a k es o m ee x p l o r a t i o n s t ot h em a t h e m a f i c a im o d e ld u r i n gt h e d e s i g no f p a s s a g e w a y s ，e gt h ea n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no ft h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt h ee l b o w p a s s a g e w a y sc u r v i n gs e c t i o n , t h ec h a n g er u l e so f t r a n s i t i o nf i l l e t , a n ds oo n ( 5 ) c o n t i n u et oe x p l o r et h ev i s u a l i z a t i o na n ds i m u l a t i o nm e t h o da n dt h er e a l i z a t i o n t e c h n o l o g yb a s e do n3 dc o m p u t a t i o n a lf l o wf i e l d si np a s s a g e w a y sc f d k e yw o r d s ：d e s i g no fp a s s a g e w a y so fp u m ps t a t i o n , c a d ，p a r a m e t r i cd e s i g n , t 1 l r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g v i s u a l i z a t i o n , s i m u l a t i o n 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究 i 符号说明 符号物理意义 q流量 d叶轮直径 d o座环处直径 r l内圆弧半径 r 2外圆弧半径 札喉部高度 l流道进口至叶轮中心线的的长度 口 上翘角 下倾角 b流道宽度 y 进口流速 进 i v 扬州大学硕士学位论文 圪喉部流速 出口流速 邑进口直段流速梯度 厶厶流道进1 ：3 至喉部处及出口处的中心线弧长 o 座环收缩角 d i出口断面直径 dn l 蜗壳吸水室的断面宽度 1 ， 平均流速 q任意断面的流量 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究 1 综述 1 1 流道设计方法概述 1 1 1 流道设计方法研究的意义 我国水资源分布严重不均匀使得国家跨流域调水工程任务很重，如南水北调、 引黄济青工程等。跨流域调水工程的实现需要依靠大型泵站工程提水。大型泵站 中进出水流道通常和泵房底板浇成整体，合理地进行流道设计，不论对水泵运行 还是工程投资，都具有重要的意义。迸水流道是泵装置的一个重要组成部分，各 种不同的迸水流道尽管形式不一，但都是泵站前池与水泵叶轮室之间的过渡段， 其作用都是为了使水流在由前池进入水泵叶轮室的过程中更好地转向和加速，以 尽量满足水泵叶轮室进口所要求的水力设计条件。进水流态不良不仅会增加泵内 水力损失，降低水泵效率。进水流态愈差，水泵效率的下降幅度就愈大。出水流 道的作用是为了使水流在流入出水池的过程中更好的转向和扩散，在不发生脱流 或旋涡的条件下最大限度的回收动能。出水流道内的流态及动能回收情况决定了 出水流道的水力损失，对水泵装置的能量性能有明显影响，尤其是对于低扬程泵 站。由于出水流道水力损失在水泵总扬程中所占的比例特别大，其水力性能对水 泵装置性能的影响更为突出。可见，出水流道与进水流道一样，也是水泵装置的 一个重要组成部分n 1 。因此，大型泵站中流道设计是整个泵站工程设计的关键， 设计得好坏直接影响其可观的经济效益和社会效益。泵站工程建设任务越重，对 流道设计方法及科学性的要求就应该愈高。 2扬州大学硕士学位论文 1 1 2 流道设计方法概述 目前，大型泵站流道设计方法主要有以下三种。1 ： ( 1 ) 传统的基于一维流动水力设计理论的人工图解及试算方法，这也是泵 站技术规范。上一直沿用的方法； ( 2 ) 基于一维流动水力设计理论及a u t o c a d 早期开发平台的进水流道c a d 软件系统州； ( 3 ) 基于c f d 三维流场数值计算来优化流道水力设计的方法州。 分析上述三种流道设计方法有：方法( 1 ) 来自于早期的水轮机尾水管设计用 的平均流速法，方法相对于三维流动优化水力设计虽然较为简单，但有长期的工 程经验积累，并有较多的成功范例作为支撑，因此，它还会与三维设计的方法并 存继续使用下去，但设计的手段，即人工图解加试算的方法已明显不合时宜，尤 其在计算机辅助设计( c a d ) 日益深入的今天更是如此；方法( 2 ) 虽然在设计理 论及设计思想上还是基于一维流动，但已将c a d 技术应用于泵站工程的流道设计 中，克服了人工设计的很多缺点与不足，缩短了设计周期，提高了设计效率，并 给基于一维水力设计的流道优化提供了可能等。由于方法( 2 ) 的进水流道c a d 系统是基于早期的a u t o c a d 平台，许多功能不完善或没能实现，还有较多的水力 及工程几何模型有待探讨。因此，应该采用先进的c a d 理论、技术和方法对其升 级和扩充；方法( 3 ) 应该是未来泵站流道设计的主方向，但方法( 3 ) 对其后处 理及显示技术，尤其对基于c f d 计算流场的模拟和可视化的实现提出了较高的要 求。本论文着重将先进的c a d 方法与技术应用到泵站流道的设计中，重点内容是 利用先进的c a d 方法和技术升级、扩充上述方法( 2 ) 流道c a d 功能，并对涉 及到的c a d 方法和主要实现技术作深入探讨；其次对基于流道c f d 三维数值计 算的流场可视化和模拟方法与技术作进一步的探索。 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究3 1 1 3 国内外研究现状分析 与泵站工程相类似的水轮机发电工程，其管道为尾水管，它的工程及几何模 型的研究较早，c a d 系统亦已研制”。水轮机及尾水管设计理论与方法的研究成 果对泵站工程研究有较高的借鉴作用，但由于泵站工程自身的特点需要研究适合 自己领域的问题。我国地域水资源分布的不均匀性导致泵站工程建设的大力发展， 与泵站工程理论相关的研究，如泵站水力学与流体力学、水泵设计理论与方法及 c f d 的研究虽已取得较多的成就，但泵站工程整体建设任务还较重，集中在江苏、 山东、安徽、湖北等少数省份，主要研究单位有武汉大学、江苏大学、扬州大学 等少数院校及研究所。泵站工程中流道的研究目前大多集中在模型试验方面，理 论研究主要在流道内部三维流动的理论和计算方法上，而流道c a d 方法与系统的 研究相对较少，基于c f d 的流道流场模拟、可视化方法与实现的研究刚刚起步。 1 2 流道c a d 方法与技术概述 随着泵站工程和c a d 技术的迅速发展，人们对流道c a d 系统提出了更高的 要求，如流道的参数化设计、流道三维曲面造型、流道c f d 三维计算流场的后处 理及可视化功能、输入输出对话框、菜单等界面设计。因此，基于a u t o c a d 对象 技术，在新一代开发环境下，进一步研究开发流道c a d 系统具有明显的工程意义。 流道c a d 系统中的涉及到主要关键技术为： 1 2 1 使用m f c 设计输入、输出对话框 微软的基本类库m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 是c + + 程序的一个重要的 软件资源，它为开发w i n d o w s 应用程序提供了强大的支持。m f c 包含2 0 0 多个类 和2 5 0 0 多个函数，所以，充分利用m f c 资源显得非常重要。 以前的a u t o c a d 应用程序对话框实现是通过系统本身提供的可编程对话框控 制语言( d c l ) 编写，由相应的a u t ol i s p 或a d s 程序驱动，d c l 对话框编写工 扬州大学硕士学位论文 作量大、可视化程度低、执行效率差及接口机制贫乏等缺点；而a d s 则涉及到底 层w i n d o w sa p i 编程，对开发人员的技术要求较高。在a r x ( a u t o c a dr u n t i m e e x t e n s i o n ) 应用程序中使用m f c 最明显的优点是可以充分利用v c + + 开发环境提 供的先进技术和工具，实现界面的可视化设计。在流道c a d 系统输入、输出等对 话框的a r x 应用程序中，使用m f c 可以实现模式对话框界面，无模式对话框界 面及属性对话框界面“”。如图卜l 所示的肘形进水流道输入对话框就是利用m f c 实现的模式对话框界面。 图1 1 肘形进水流道设计参数输入对话框 1 2 2 流道的参数化设计 以前的流道c a d 系统是基于传统的参数化绘图方法进行的，即通过高级语言 设计主程序进行流道设计，其结果处理：生成a u t o c a d 系统能够接受的d x f 图 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究 5 形交换文件；另一种方法将结果以数据文件方式输出供a u t ol i s p 接口程序调用。 这种程序式参数化方法存在着不能对流道进行草图设计、不能动态实时修改设计 及运行效率低等缺点。在本论文中，充分利用a u t o c a d 面向对象的特性，基于a r x 技术对图形数据库的访问机理，利用实体对象标识符具有的唯一性及实体对象的 特征点、图元的几何约束及图元问的约束联动，实现了图元驱动的流道参数化c a d 设计。在流道参数化设计中，既涉及到直线、圆、圆弧、字符等a c d b e n t i t y 2 d 简 单实体，也要处理a c d b 2 d p o l y i m e 等复杂实体的生成与编辑。a c d b 2 d p o l y l i n e 主 要用在肘形流道中心线的曲线拟合，平面轮廓线的表达，钟形进水流道喇叭管、 导水锥型线及平面轮廓的表示等。无论简单实体，还是复杂实体，其实体自身既 存在着几何属性，也同时存在颜色、线型等非几何属性，它们都可以通过实体对 象标识符保持的唯一性访问，修改也较为方便。详见本论文第三章内容。 1 2 3 流道三维造型的研究 a u t o c a d 三维造型主要分为表面模型和实体模型。实体模型功能很强，一方 面可通过基本几何实体元素并、交、差运算，组合成较为复杂的实体；另一方面 也可通过二维对象拉伸或旋转创建实体“，比较适合于机械零部件的造型，不适 合处理像进出水流道这样的三维曲面形体。表面模型功能的表达范围似乎更宽点， 它既提供了基本形体的描述，也具备拉伸、旋转建模功能。更重要的是，它提供 了像3 d f a c e 、3 d m e s h 、p f a c e 、e d g e s u r f r u l e s u r f , r e v s u r f t a b s u r f 等三维曲面 造型功能，能够满足进出水流道等水工建筑物中常见曲面的三维造型要求，同时 也能满足后续研究中在流道内部显示流场的要求。因此，选择了曲面模型生成进 出水流道三维造型的效果图。详见本论文第四章内容。 1 2 4c a d 环境下流场可视化与模拟概述 已知流道的边界求流道内的流场，谓之流体力学的正命题；根据要求的流场 推求流道的边界，谓之流体力学中的反命题。由于种种条件的限制( 如土建投资 6 扬州大学硕士学位论文 等) ，反命题的解往往不现实。因此，给定一系列不同的流道边界、完成一系列相 应的正命题计算、用一系列正命题的解尽可能靠近或逼近最优解，才是解决泵站 进水流道水力设计优化问题的正确方法。流道c f d 三维数值模拟计算的结果形式 为：计算网格剖分的坐标数据、单元网格中心流速分布及流道几何模型和重要设 计参数水力优化设计结果的描述等。基于c f d 计算结果，运用流场可视化与模拟 中的方法，在c a d 环境下实现流道断面流速可视化、流道流场整体可视化及流场 模拟功能等。可视化的实现能直观形象地展示流道内流场的整体分布，检验其数 值模拟计算的流场特性，便于设计者及工程技术人员对数值模拟计算结果的理解 与交流等；而流场的模拟，可动态查询、显示流场中任意点处的流速大小、方向 及位置，“质点跟踪技术”可模拟过流场中任意点处的水流情况。它可直观形象地 展示流道内流场的分布，动态实时地检验数值模拟计算的流场特性。本论文进一 步研究泵站流道计算流场可视化及模拟方法和c a d 环境下实现技术。详见本论文 第五章内容。 1 3 论文研究方案 1 。3 1 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 本论文的研究目标为：将先进的c a d 技术与方法运用到大型泵站流道设计中， 进一步完善其c a d 功能，力求使流道设计更具先进性和实用性；基于流道c f d 的计算流场，进一步研究适合其后处理的流场模拟与可视化方法，使流场表现效 果直观形象化，真实反映流道c f d 计算结果，并对修改其原设计提供依据等。 论文重点内容包括两个方面：一是充分运用面向对象的c a d 技术升级和扩充 基于一维水力设计理论的进水流道c a d 功能，对涉及到的c a d 方法和实现技术 作研究；另一方面进一步研究基于流道c f d 三维数值计算的流场模拟及可视化方 法。第一方面研究的基本内容为： ( 1 ) 利用面向对象特性的c a d 技术与方法，在o b j e e t a r x 开发环境支持下， 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究 7 采用面向对象的v c + + 升级和扩充流道c a d 功能。新的流道c a d 软件无论是界面 的设计( 如输入、输出对话框、图形界面等) ，还是其内容和功能都力求达较高层 次。如在流道c a d 设计中引入参数化设计的方法，通过实体驱动( 图元和尺寸) 使流道c a d 具有变动设计等参数化功能。参数化设计不仅可以使流道设计具有动 态实时及直观的性能，而且使系统的运行效率显著提高。 ( 2 ) 流道三维造型的研究与实现，流道的三维造型可以使设计结果直观形象。 研究的内容主要是三维造型的模型与实现的方法，前期工作中已做了一些基础研 究“埘，还有待于深入。吉林工业大学的吴成武等基于m d t 和a d s r x 的犁体曲面 造型研究“”、南京航天航空大学张乐年等基于复杂曲面的n u b e r s 蒙皮曲面“”( 中 心线为直线的渐变段为研究对象) 及合肥工业大学林巨广等m d t 曲面造型技术研 究“观( 以弯管零件的内蕊曲面模型为研究对象) 等对进水流道三维造型的迸一步 研究有一定的参考价值。 ( 3 ) 运用先进的c a d 技术探索流道新的设计方法，如传统的流道设计是二 维设计；新的设计方法探索从流道三维设计要求开始，模型设计完成后自动生成 二维工程图的方法。 上述内容拟解决的关键问题主要有：流道几何及工程数学模型合理性研究； 流道参数化设计方法的选择与实现；流道三维造型的模型选择与实现等。 本论文第二方面研究的基本内容为：进一步探讨基于c f d 数值计算结果的流 场可视化及模拟的方法： ( 1 ) 基于三维数值计算的流场可视化方法进一步研究。主要从两个方面着手： 是通过出口及任意断面流速分布展示其流场特性，如出口及任意断面的流速分 布等值线图，颜色映射的速度分布效果图等：二是流道内流场整体可视化的方法。 矢量场可视化基本方法有：利用流线、流带及流管显示的方法“”；基于质点跟踪 的迹线可视化方法等。 ( 2 ) 基于三维数值计算的流场模拟方法的进一步研究。其基本内容为： 探索网格数据后处理的方法，以便较好地应用于流场模拟； 形成清晰的流场模拟工作环境； 8 扬州大学硕士学位论文 速度数据的后处理，便于速度场的模拟，显示流场中任意点处流速及位置； 利用“质点跟踪技术”模拟过流场中任意点的水流情况。 本论文研究内容的主要框架为： 流道水力 设计模型 流道工程 几何模型 其系统总体结构为： 流道工程 数学模型 计算机 实现模型 流道 输出模型 1 3 2 采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 本论文研究方法总体来说是软件工程和c a d 方法，主要技术路线是根据泵站 工程流道的特点和工程设计要求，研究其较好的工程及几何模型；采用软件工程 思想，结合先进c a d 技术与方法，选择功能较强及环境较好的平台开发流道c a d 软件。论文中主要问题的研究方法及技术路线和可行性如下： ( 1 ) 符合工程实际的流道数学模型将是流道c a d 软件得以应用的保证，尽管 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究9 有泵站技术规范和大量工程实例及经验作支撑，但流道设计中还有许多工程数学 模型值得研究与探讨，如肘形流道的弯曲段的数模分析与应用，过渡圆角的变 化规律；钟形流道喇叭管、导水锥及蜗壳吸水室的型线设计等。本文将继续研究 流道设计中一些数模问题。 ( 2 ) c a d 平台及开发环境的选择：a u t o c a d 系统的新一代开发环境和工具包 括o b j e c t a r x 、v b a 及v i s u a ll i s p 等。而a r x 开发环境，可以突破了a u t ol i s p 和a d s 必须通过内部进程( i p c ) 和a u t o c a d 问接通讯框架限制，与a u t o c a d 共享地址空间，能够直接利用a u t o c a d 的内核代码，直接访问a u t o c a d 的数据 库、图形系统及几何造型核心，实时扩展a u t o c a d 具有的类和功能，建立a u t o c a d 新命令等。此外，虹应用程序可充分利用w i n d o w s 的资源，微软的基本类库 m f c 和先进的v i s u a lv c + + 可视化编程语言和工具，使高效地设计具有w i n d o w s 风格的流道c a d 软件及流场可视化和模拟的应用程序成为可能。 ( 3 ) 流道c a d 系统中引入参数化设计后将使设计具有动态性和实时性及直观 性，并能提高系统的运行效率。参数化设计方法在机械等行业中得到了广泛的使 用，已超过产品设计的5 0 。在水利工程设计的应用较少。本文基于a r x 技术对 图形数据库的访问机理，利用实体对象标识符( i d ) 的唯一性及实体对象的特征点、 图元几何约束及图元间的约束联动，实现图元和尺寸驱动的流道参数化设计。”4 。 ( 4 ) 基于流道c f d 计算流场的可视化方法。首先进一步研究现有的几种矢 量场可视化方法删，吸收其精华。 ， ( 5 ) 基于三维数值计算的流场模拟方法。c f d 流场的模拟是模仿人工测流的 试验过程，因此，需要良好的流场模拟工作环境，形象的测试过程等，便于人们 对数值模拟计算结果的理解与交流。 本论文选择的开发环境及技术路线为完成上述研究目标提供了可能。 1 3 3 本论文的创新之处 创新之处主要在于：进一步将先进的c a d 技术与方法引入到泵站流道设计中， 1 0扬州大学硕士学位论文 完善和扩充其c a d 功能，使其设计更具科学性，先进性和高效率等：对流道c a d 设计方法作有益探索，如基于a r x 实体驱动的参数化设计方法及从三维n - - 维的 流道设计方法等；对流道设计中一些数学模型和三维造型的方法等作进一步研究； 进一步探索基于流道c f d 三维计算流场的可视化和模拟方法与实现技术等。 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究 2 肘形进水流道的c a d 设计方法与技术研究 2 1 引言 大中型立式轴流泵站进水流道是泵站工程设计中的关键部位。目前，在工程 上采用较多的三种进水流道型式( 即肘形、钟形、双向式) 中，肘形进水流道在 工程上采用的最多，其设计过程也较为复杂。传统的设计方法是按照泵站技术 规范中肘形进水流道设计方法进行，其设计过程为人工图解加试算的方法。因 此，存在着设计过程繁琐、精度不高、人为因素多、设计周期长、重复工作量大 及不利于方案比较等问题。将c a d 方法技术与流道的工程设计相结合，基于肘形 进水流道一维流动水力设计理论及a u t o c a d 平台可使得规范上流道设计过程程序 化。本章将着重介绍与传统的流道设计过程相反的设计方法，即基于m d t 和a r x 的泵站流道设计方法与实现技术。 2 2 基于一维流动水力设计理论的c a d 方法简介 该方法根据泵站技术规范肘形流道一维流动的设计思想，建立其机辅设 计数学模型，提出了用“控制断面”设计其“、k l ”线的设计思想，以绘图软件 a u t o c a d 为支撑，利用v i s u a ll i s p 语言和d x f 文件作为主程序( 设计部分) 与 绘图软件的接口方式，使轴流泵站的流道设计与绘图成为一体化。肘形进水流道 c a d 的设计有两部分组成：设计部分和绘图部分，其具体内容如图2 1 所示。 1 2 扬州大学硕士学位论文 图2 - 1 肘形进水流道c a d 的内容 2 2 1 立面图轮廓线设计 如图2 2 所示，输入已知设计参数及按照规范对肘形进水流道主要参数规定的 范围初选一些设计参数，如流量q ，叶轮直径d ，座环处直径d o ，内圆弧半径r l ， 外圆弧半径r 2 ，流道宽度b 等，然后输入调试参数( 对立面设计影响较大的参数) ： 流道进口至叶轮中心线的长度l ，上翘角口。可以计算出流道的进口流速矿t 及喉 部高度h k ，如果它们在规定的范围内，即v 进= ( 0 5 1 0 ) m s ；吃= ( o 8 1 0 ) d ， 则认为立面图轮廓设计可行，否则返回重新调整参数l 、口及初选参数直至满意为 止。设计好的立面轮廓数据形成a u t o c a d 中直线、圆弧的d x f 文件就可画出其 图形，见图2 5 。 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究 1 3 图2 2 肘形进水流遒立面轮廓设计 2 2 2 立面图流道中心线设计 基于规范上肘形流道一维流动的设计思想，可以建立其立面中心线的方程( 传 统设计方法是人工作一系列内切圆，图2 - 2 ) 。从流道进口端至弯曲段开始处o j ， 图2 - 2 ，流道中心线是个直线方程，其斜率为三 十) ；从吼至处，设中心线 上任意点坐标为k ，y c ) ，内切圆半径为心，则中心线满足下列两个方程： ：- y c + x c t g b y 。嗨b ( 2 - 1 ) 展开上两式并令：c = r l + ) ，f c o s f l ，可得： c 0 s 2 p 唾+ 咖2 局唾= 2 c s i n p x c - 2 c c o s a y c - s i n 2 f i x c y c + c 2 ( 2 2 ) 同理，从6 0 至呸处，中心线方程可由下面两式得到： 1 4 扬州大学硕士学位论文 兰2 ：兰2 三苎：苎 ( ：，) l g 。一口) 2 + 魄一6 ) 2 = r ：一r 。 展开整理得： 伍三一a 2 b ；+ 伍三一6 2 b ；= 2 a b x c y 。+ 2 d a x c + 2 d b y c + d 2 ( 2 - 4 ) 其中：r 1 2 = 即d = 丢幢彳- 6 2 ) 由方程( 2 2 ) 和( 2 4 ) 可求得弯曲段中心线上一系列点，将其以数据文件输 出，用v i s u a l l i s p 接口程序可以绘制其中心线，图2 - 5 。 2 2 3 立面图中心线切矢连续方程 按照规范规定，肘形流道过水断面高度应为流道中心线的法矢方向。因此必 须求出流道中心线切矢方程。进口直段较为简单。在弯曲段，由于靠近0 ，处斜率 趋于无穷大，故按方程( 2 - 4 ) 求导求其切矢方向值，必须旋转工一) ，坐标系方可进 行。事实上，这一过程不仅相当麻烦，且会出现断面之间相互交叉现象。因此， 该方法中选择了精度较高、数学模型良好且特别适用于插值的参数式三次样条函 数的切矢方程作为弯曲段流道中心线的切矢方程。它具有几何不变性，即不依赖 于坐标系的选择讨论曲线的几何特性。 对于弯曲段中心线上一系列点p ，i = 1 ，2 ，一1 ( n 为弯曲段过水断面 数) ，它的插值函数方程为： 删= 3( 爿2 ( 爿 + 2 21 1 3 32 1 0 01 0 1 000 只 只卅 ，只 r ，只_ ( 2 5 ) 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究 1 5 o = 1 2 ，一1 ，o d i m e n s i o n t e x t 0 ； a d sp r i n t f ( ”、n 现在尺寸大小为s ：”，d i s p ) ； p d i m a l i - c l o s e 0 ； a d s _ g e t p o i n t ( n u l l , k n 新的尺寸界线位置： , a s d b l a r r a y ( p t 3 ) ) ； a c d b o p e n o b j e c t ( p d i m a l i ，d i m l d , a c d b ：k f o r w r i t e ) ； p d i m a l i s e t x l i n e 2 p o i n t ( p t 3 ) ； a d s _ g e t s t r i n g ( 0 ，”输入变动后尺寸：”，s 仃1 ) ； d i m t e x 忙- s t r l ； p d i m a l i - s e t d i m e n s i o n t e x t ( d i m t e x t ) ； p d i m a l i - c l o s e 0 ； 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究3 5 其它尺寸标注类的尺寸标注对象的生成及尺寸标注对象的修改与上述两点校 准尺寸标注类相似。 3 4 2 尺寸驱动的流道参数化设计 基于上述a r x 图元驱动或尺寸驱动的参数化变动设计的方法可推广到工程设 计中。如图3 - 5 所示的大型泵站钟形进水流道，基于a u t o c a d 早期的开发平台作 者实现了它的c a d 系统。由于其c a d 方法采用的是参数化绘图方法，原系统中 没有参数化设计应具有的变动设计功能。本论文基于a r x 图元或尺寸驱动实体及 实现参数化设计的方法应用于钟形流道c a d 系统中，使其具备了变动设计的功能。 下面对其过程与方法加以简述。 3 4 2 1 变动源的选择 工程设计中变动源的选择有别于一般的几何图形，要充分考虑工程设计的要 求，如图3 5 所示的钟形进水流道，设计参数有魄、h 、h 。、d l 、口、l 及口等。 主要变动设计的参数有啊、h 、d 】及三等。因此，选择这几个设计参数作为变动 源。由图3 - 5 钟形进水流道图元之间及图元与尺寸的约束关系分析，变动源工及h 引起的约束联动范围要小些；变动d 。参数虽然也为局部联动，但影响范围较大； 变动源则会引起全局变动。选择的钟形进水流道变动源参数及一般设计参数泵 站技术规范1 1 j 中都有其变动范围，如啊- ( o 4 o 6 ) d 、i l = ( o 3 - 4 ) 4 ) d 及 且= ( 1 3 1 4 ) d ( d 为水泵叶轮直径) 等，因此，变动范围应在规范允许的范围 内进行。 扬州大学硕士学位论文 图3 - 5 大型泵站钟形流道参数化变动设计 3 4 2 2 驱动方式的选择 变动源可选择在图元实体上，采取尺寸随图元联动方式；也可选择尺寸驱动 方式，即采取图元随尺寸改变的联动方式。在工程c a d 设计中要视具体情况而定， 如图3 5 所示的钟形流道c a d 设计，由于变动源h i 、h 两个参数没有与之对应图 元实体存在，故只能选择尺寸驱动方式；d l 参数存在便于选择的实体( 水平图上 的虚线圆) ，可以选择两种方式中的任意一种；流道长度工虽没有明显对应的图元， 但如果采用图元驱动方式，在设计时可有意加以考虑。为了使用户方便，本文在 钟形流道c a d 系统中统一采用了尺寸驱动这一种方式，即变动源h j 、h 、d i 及上 等都采用尺寸驱动，图元随尺寸变动而变动。 贰 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究3 7 3 4 2 3 约束联动分析 在钟形流道参数化设计中，既涉及到直线、圆、圆弧、字符等a c d b e n t i t y 2 d 简单实体，也要处理a c d b 2 d p o l y l i n e 等复杂实体的生成与编辑，如钟形进水流道 喇叭管、导水锥型线及平面轮廓的表示等。工程设计c a d 中变动源的变动及约束 分析也有别于一般的几何图形，如图3 5 所示，设基点位置在只，变动源h 的变动 工程上只会向上，因此，联动方式只存在一种可能。要进行图元驱动或尺寸驱动 的参数化变动设计，首先要对图中每个实体对象的标识符和特征点进行命名，如 图3 - 5 所示的钟形进水流道，实体命名为e 1 、e ：置。；图元特征点命名为只，最 丑；等。每个变动源变动时所引起的约束联动分析至关重要，可通过图元之间约束 关系的分析产生驱动树，然后求解图元特征点与变动源参数的函数关系( 或特征 点方程) 达到联动效果。如变动源h 的变动驱动过程可用图3 - 6 表达如下： 图3 - 6 变动h 参数引起图元联动的分析 图3 7 是变动源h l 的变动引起全局联动过程。h l 变动会引起基点p 0 的升高或 降低，向左会引起流道进口直段的变化，向右不仅会引起图3 - 6 所示的联动，而且 会引起整个吸水室的联动。因为蜗壳吸水室的设计是采用平均流速矿= 常数的方法 进行的，即： y 。旦 r , o , h 蜗壳吸水室的断面宽度口也是h i 、尬的函数，设计公式为： 3 8 扬州大学硕士学位论文 铲吉【等：啪f + 主( 如圳2 倒】 其中：q i 为任意断面的流量 图3 - 7 变动h l 参数引起图元整体联动的分析 本章充分利用a u t o c a d 的面向对象特性，基于a r x 开发环境与技术，实现了 实体驱动和图元驱动的参数化设计方法，并在泵站流道设计中加以应用结果表明， 此方法简便易行，便于程序设计控制下参数化变动设计的实现。 许雪梅：大泵流道c a d 方法与技术研究3 9 4c a d 环境下流道三维造型与设计研究 4 1 引言 在泵站二维进出水流道计算机辅助设计系统软件开发的基础上，本章利用与 其相同的支撑平台，即三维造型系统仍以a u t o c a d 为支撑环境，用v i s u a ll i s p 程序设计语言从二维c a d 软件中读取三维造型系统所用的数据，再根据流道三维 造型的要求及特点编制相应的v i s u a ll i s p 程序，完成泵站进出水流道的三维造型 功能，使得泵站进出水流道的c a d 单线图设计与其三维造型显示成为一个有机的 整体。 4 2 流道三维造型系统概述 根据流道三维造型的要求，仔细分析a u t o c a d 三维模型功能可知： ( 1 ) a u t o c a d 实体模型功能很强，一方面可通过基本几何实体元素并、交、 差运算，组合成较为复杂的实体；另一方面也可通过二维对象拉伸或旋转创建实 体，比较适合于机械零部件的造型，不宜处理像进出水流道这样的三维形体。 ( 2 ) a u t o c a d 表面模型功能的表达范围似乎更宽点。它既提供了基本图形的 描述，也具拉伸、旋转建模功能。更重要的是，它提供了象3 d f a c e 、3 d m e s h e d g e s u r f , r u l e s u r f , r e x , s u r f , t a b s u r f 等三维曲面造型功能，能够满足进出水流道 等水工建筑物中常见曲面的三维造型要求。 扬州大学硕士学位论文 4 3 进水流道三维造型 4 3 1 肘形进水流道的三维造型 肘形进水流道是工程上比较常用的流道形式嘲。它的二维c a d 系统相对钟形 进水流道来说较为复杂，但三维造型系统相对钟形流道又较为简单。因为从几何 上分析，它是个有规律变化的弯曲渐变段，造型过程可整体完成，且构造步骤不 多，所用的参数也不多。如图4 1 所示，由肘形进水流道设计参数及二维c a d 的 设计结果可得进口高度为h ，宽度为b ，座环处直径d o ，内圆弧半径为r l ，外圆 弧半径为r 2 ，顶部上翘角为a 及底部上翘角为b 。分析a u t o c a d 三维表面模型的 各种功能，采用e d g e s u r f 曲面模型来造型较合适。它是以4 条邻接边界曲线构造