面向虚拟现实的蜗壳内流体现象研究

摘 要：利用虚拟现实技术是水轮机研究的一种方法，其可视性和临境感十分有效。蜗壳属于进水部分，蜗壳内的水力学形态十分重要，直接影响到水轮机的输出功率。通过分析蜗壳内体积变化和水流形态，利用虚拟现实中的粒子系统，将蜗壳内水力学特性与湍流流态用计算机展现出来，分析影响蜗壳内湍流形态的因素并利用虚拟物体模拟其湍流现象。

关键词：虚拟现实；蜗壳；流体

引言

虚拟现实应用于水轮机运行仿真具有重大意义[1]，其功能可以替资数千万元的大型水利试验室，彻底改变对于水轮机的运行认知方式。其中水轮机的进水部分中金属蜗壳的虚拟现实的实现最为复杂，由于蜗壳模型具有超级的圆滑性和弧线外观，如果制作高精度蜗壳，三维模型的三角面数往往达到数百万，而蜗壳内的流体模拟更是困难，当蜗壳进水后，横截面积会越来越小以适应水压的变化，同时蜗壳尾端连接的导叶开闭也会导致水流的湍流现象产生。如何改进虚拟现实中湍流现象的模拟，即在虚拟现实平台上当操作者控制导叶时，蜗客内的流体现象会随着导叶的开闭而产生不同的湍流现象是非常有意义的。

1 虚拟现实中蜗壳的实现

蜗壳的三维模型创建是非常重要的，面数和曲率直接影响虚拟化的效果。软件方面可以直接使用3Dmax，Pro/E等，目前国内由于Autodesk公司的开放性，导出格式FBX是比较普遍的，无论选何种软件，建模方式最常用的有以下两种：第一是利用loft放样建模，在放样线上，只要各截面线符合蜗壳的设计参数即可，但是生成的模型大多为NURBS模型，需要转换为多边形模型，转换过程中注意尽量使用四边面再导入虚拟环境中测试即可。第二是直接用多边形建模，利用多边形最后的Smooth功能将蜗壳圆滑，但是圆滑后有两个问题，就是轻微的缩小变形和面的密度很难控制。所以大多采用NURBS放样建模后转换成多边形。

在导入虚拟现实环境中之前，需要考虑虚拟现实对计算机的高性能要求，所以需要尽量优化以下四点（1）模型结构采用较高的精度，一般要利用Lod来优化。（2）模型在场景中有两个以上，就要利用最大可能的采用重用机制，比如焊孔，螺丝等。（3）模型在虚拟空间中有灯光，就尽量使用方向灯减少运算量。（4）模型的材质尽量少用高清贴图，可利用点着色和法线贴图来代替。

2 流体在虚拟现实中实现

虚拟现实系统中有很多种流体的实现方法，其中用粒子模拟水的方法最为优秀，流体粒子系统首先确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、初始颜色、初始透明性、形状和生存规则等。一个典型的粒子系统是一个包括了粒子发射器、粒子动画和粒子渲染器在内的完整系统，其中粒子发射器产生粒子，粒子动画在时间轴上移动它，粒子渲染器在屏幕上渲染它们[2]。

蜗壳内的粒子流就是在蜗壳入口处建立粒子发射器，发射器选面发射，发射方向和蜗壳内表面积缩小方向一致。此时蜗壳内就有了流体，只是流体缺少碰撞和反弹，即此时的流体没有任何湍流现象。

3 影响蜗壳内湍流模型的因素及实现

真实情况的蜗壳内流体不是直线的，通过分析压力，测量结果指出在小流量工况时蜗壳内沿液流方向的压力分布呈现出由大变小再变大的分布规律，中高流量工况时蜗壳内压力分布的降速扩压的特征明显，这些分布规律必须在虚拟现实中呈现出来。另外，如果操作者关闭进水导叶，那么蜗壳内的湍流现象会急剧增加，蜗壳的内壁通过外轮廓线的缩小也应该对粒子流体产生更多的碰撞和湍流。

3.1 蜗壳的横截面积变化时流体实现

在实现过程中我们无法将一个发射器生产出来的粒子按照断面面积的变化而变化，也就是说当断面面积变小时，粒子的断面面积不变，而粒子的生产速度不变，就会产生水流跑到蜗壳外面的效果。

此时可以利用有限积分的方法解决，在蜗壳断面面积变化过程中，按照建模过程中的放样分割线，将整个蜗壳分割成15个独立的部分，每个部分可以看作是单一的圆柱体，并且在每个独立的部分放置一个粒子发射器，经测试，仿真效果非常好，缺点是运算量达到原来的15倍之多。

3.2 蜗壳的曲率变化对粒子的影响

3.3 导叶开度对粒子的影响

在最优水头下，导叶最优开度时，水轮机输出功率最大，此时可以用粒子系统模拟直接进入水轮机。当导叶开度变化时，开度和流量的关系也可以通过公式计算出来。此时粒子系统在导叶开度变小时，就应该将喷射的粒子变少，同时，变少的粒子量，应该向后喷射，和反方向的粒子碰撞形成湍流。那么我们可以设定变量Number，当导叶开度为最大时，Number=0，当导叶开度最小时，Number=100，在喷射粒子中可以通过NumParts=（MeanParts-Number）*ScreenArea来计算粒子系统所占屏幕的比率来计算粒子应该喷射多少。当Number不为0时，也就是导叶开度减少时，建立第三套粒子喷射系统，采用的发射类型和位置与第二套完全相同，只是喷射方向相反，这样当导叶慢慢闭合时，我们肉眼可见的效果就是通过导叶流下的粒子变少，同时还有和减少量相同的粒子向后方喷射，与第一套粒子混合在一起，为了效果明显，可以将三套粒子分别给予不同和颜色。在虚拟系统中我们就可以非常清晰的看到当导叶开闭时流体的变化。

4 结束语

在实现水轮机虚拟现实的整个过程中，粒子与物体碰撞一般都采用碰撞包围盒，在速度上占很大优势，所以坝体或者尾水管的流体碰撞可以采用AABB，或者OBB碰撞包围盒来处理，对系统的运行基本不产生负担。但是对于弧形或者其它形状的物体，如蜗壳和导叶，粒子碰撞会消耗大量的时间，即使可以利用分解碰撞包围盒的方法来提高运算速度，也是非常耗时的。为了在运行时大大提高运行速度使得整体运行状态良好，采用非碰撞的方式来处理蜗壳和导叶之间的湍流现象大大节约了碰撞检测的时间，提高了虚拟现实的即时性。通过利用虚拟现实技术，可以实现蜗壳内任意角度的观测，同时利用输入设备，使用者可以任意操作导叶开度，又可以模拟人在水下观测并可以任意操作水轮机的运行。虚拟现实技术的多样化和多元化必然是未来的主要发展方向。

参考文献

[1]石教英.虚拟现实基础及实用算法[M].北京：科学出版社，2002.

[2]吴继承，江南虚.拟现实中粒子系统的设计与应用[J].计算机仿真，2004.

[3]张武高.流量对离心泵蜗壳内压力及速度分布的影响[J].石油机械.

作者简介：孙浩鹏（1975-），男（汉），吉林长春人，讲师，主要研究：计算机应用。