探究水利工程模拟实验仿真系统应用对工程设计的意义



1　概述计算机仿真技术应用于水电工程施工近30 a,最早于20世纪70年代初,修建奥地利施立格混凝土坝时采用了确定性数字模拟技术对缆机浇筑混凝土方案进行优选,实践表明,模拟的浇筑速度和进程与实际施工情况非常吻和。上世纪80年代初,我国首先在二滩工程大坝施工组织设计中采用该技术,进行了类似的研究,效果较好。此后越来越多的水电工程开始应用,应用范围从辅助施工组织设计扩展到结构设计、三维动态显示等;从仿真单一的混凝土坝浇筑到仿真土石坝施工、截流施工、地下工程施工等;应用目标从静态的方案优选发展到动态的实时控制等;从最初把仿真成果仅仅作为一种决策参考,逐渐发展成水电工程、尤其是大型水电工程规划、设计和施工管理中不可缺少的技术手段。
从结构应力分析的角度出发,大坝施工过程应力场、温度场计算机仿真研究也悄然兴起,并在一些工程的设计阶段得到应用,效果很好,如大连理工大学开发的沙牌高碾压混凝土拱坝施工过程计算机仿真系统。20世纪90年代,计算机可视化仿真技术的快速发展为工程设计提供了具有高度临场感的虚拟现实系统。虚拟现实技术将我们的视野从二维平面上升到三维主体空间,采用已获取的基础数据,针对工程项目建立三维的、动态的、实时的、可视的虚拟仿真环境,工程设计人员能在此环境下直观地、清晰地看到该工程过程的整体或局部、动态或静态、历史的或现实的以及将来的真实场景,决策层可在最短的时间内获得最新最准确的信息,以便对未来事件作出快速的判断并采取相应对策。仿真系统为水利工程提供一个不同环境的研究平台,它具有安全、经济、可控、便于观察、便于参与、实用、无破坏性、可多次重复、整体性等特点,可以对各种决策的效果与作用进行分析比较,以作出科学合理的选择。因此,建立水利工程虚拟仿真系统是向水利现代化方向发展的一个重大突破。
2　水利工程仿真系统构成与仿真方法
2.1　系统构成计算机仿真也称计算机模拟,是借助高速、大存贮量数字计算机及相关技术,对复杂的真实系统的运行过程或状态进行数字化模仿的技术,所以也称为数字仿真;它是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验并借助于专家经验知识、统计数据和原有资料对试验结果进行分析研究,做出决策的一门综合性的和试验性的技术。水利工程仿真系统由数据采集、数据管理、仿真和虚拟现实4个部分组成,其系统结构与数据流。
数据采集用于收集有关数据。它主要依靠两种途径:①利用数字摄影技术,以卫片、航片等为处理对象,如利用Halava摄影工作站及相应矢量化软件生成4D产品,该方法主要用于收集地形地貌、水文、空间等方面的信息;②运用三维造型技术,适用水工结构、金结、机电设备等。数据管理是整个系统的中枢部分,它一方面需要对采集来的海量、来源渠道多元的数据统一管理(标准化),发布有效信息,而且要为后续仿真和虚拟现实提供源数据。系统以关系数据库系统为基础,通过ArcGIS产品的组件ArcSDE提供GIS与数据库的连接。它支持多用户空间数据库的设计、建立、编辑和共享;数据信息以单元项目为单位,代替以文件为单位的管理方式,方便了用户。工程仿真是仿真系统的核心。它是根据水利工程各专业的设计需求,以数学理论、力学理论、系统工程技术、信息技术以及各专业技术规范要求为基础,借助于专家经验知识、统计数据,用数字模型模拟实际的或设想的系统,进行试验并做出决策。虚拟现实通过图形工作站和实时驱动软件进行交互式实时视觉模拟,利用大屏幕投影和音响设备,给人身临其境的感觉。它以可视化技术为工具,极大地改善工程师的工作环境。在大型视景仿真应用领域,MultiGen公司和Paradigm公司是两家较有影响力的公司,它们都较早地涉足了视景仿真产品的研制和开发,提供功能强大的产品和丰富的系统解决方案。1998年9月两家公司合并为MultiGen-Paradigm公司,充分利用两家优势,提供更为完整的应用系统解决方案。该公司产品主要包含建模工具MultiGen和实时驱动软件Vega两大部分。
2.2　仿真方法工程仿真是20世纪40年代末以来随着计算机技术的发展逐步形成的一门学科。它是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础上,以计算机和其他专用物理效应设备为工具、利用系统模型对真实或假想的系统进行实验,并借助专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究,进而做出决策的一门综合性的和实验性的学科。仿真的目的是通过对系统仿真模型的运行过程进行观察和统计,来掌握系统模型的基本特征,找出仿真系统的最佳设计参数,实现对真实系统设计的改善或优化。按照系统状态的变化与时间的关系,将系统分为连续系统和离散系统。对于水利工程设计,设计者所关心的是各典型时间段系统状态的变化,因此宜采用离散系统仿真水利工程设计。在离散仿真系统中,不需要描述两个离散时刻之间系统状态的变化,只需要知道每个事件的发生时间并按事件发生的次序描述各时间点上的系统状态,来掌握系统动态的变化过程。水利工程仿真一般由建摸、模型实验和结果分析等3个阶段构成。水利工程模型实验可采用仿真时钟推进方法,时钟推进方法有下次事件时间推进法和固定增量时间推进法两种。下次事件时间推进法:在仿真过程中每一事件发生时即确定下一事件发生的时间,同时仿真时钟推进到最临近的将来事件(第一个事件)发生的时间,系统状态发生变化。此时,在系统状态改变的时间点上,第一个事件成为事实,根据此事件又计算出下一个事件发生的时间,仿真时钟继续推进,系统状态继续改变。固定增量时间推进法:首先确定仿真时钟每次推进的时钟步长Δt,时钟每次由t推进Δt到达t+Δt后就检查一下是否有事件发生,若有事件发生,相应改变系统中相关实体的状态,并认为相应事件发生在t+Δt时刻。这种方法若时钟步长Δt过大,可能使仿真信息不很准确或丢失一些发生在t至t+Δt时段内的信息。
3　仿真系统在混凝土浇筑温度控制中的应用用计算机仿真大坝的应力场、温度场,研究混凝土浇筑施工方案,在我国水利行业已悄然兴起。由于混凝土坝是逐层浇筑的,施工过程对坝体温度场和应力场有重要影响。采用固定增量时间推进法模拟大坝施工过程应力场、温度场随时间的变化,对不同浇筑方案进行仿真试验,得到坝体温度场、应力、位移在施工、运 行期的分布,从而确定出一个最优施工设计方案。 利用三维有限元仿真分析软件ANSYS对三峡泄洪坝段导流底孔封堵温度场和应力分布进行仿真分析,研究浇筑方案、施工顺序和通水冷却方式对温度、应力的影响。ANSYS软件有较强的流固耦合分析能力,能模拟混凝土温度与水温的相互影响。力求运用更合理、更精确的分析方法。在分析冷却水管通水冷却效果时,采用热流管单元,模拟冷却水在流动过程中与其周围混凝土的换热,以揭示通水冷却的机理。导流底孔将在2006年11月1日下闸封闭,2006年11月16日开始浇筑堵体混凝土。堵体混凝土分三段施工,第一段长28m,第二段和第三段均长25 m,从上游至下游依次跳仓选块浇筑,封堵混凝土按2 m层厚控制。混凝土浇筑1 d,间歇6 d,每7d浇筑一层。每一段混凝土浇筑完毕后立即进行后期通水冷却,通水冷却时间为2个月,或混凝土达到设计要求14~16℃。2007年4月中进行接触灌桨。第二段混凝土比第一段混凝土滞后一个月开始浇筑。用固定增量时间推进法模拟泄洪坝段导流底孔封堵过程的应力场、温度场随时间的变化。封堵施工期,从开始浇筑第一块起到最后一块的28 d养护期满为止,计147 d,每天作为一步进行计算,即取固定增量时间Δt1=1 d;从第148 d到最后浇筑块停止通水冷却后7 d为止,即从第148 d到第187 d,每两天作为一步进行计算,即取固定增量时间Δt2=2 d;从第188 d到第365 d,每5 d作为一步进行计算,即取固定增量时间Δt3=5 d;共计204步。导流底孔下闸封闭后,若孔内温度采用三斗坪气象资料,冷却水采用8℃制冷水,通水流量18 L/min,通水时间2月,计算分析表明,只有在4月4~11日8 d内所有浇筑体的温度在16℃以内。

4　结语
水利工程仿真系统在水利工程设计与施工中有着广泛的应用前景。将施工过程的应力仿真和施工措施仿真相结合同时辅以三维动态显示技术将成为现实,这必然为计算机仿真技术在水电工程施工中的应用开辟更广阔的空间。