水轮机水流流态的模拟及优化

为了逼真模拟水轮发电机的工作原理，需要对引水管道、蜗壳及尾水管中的水流流态进行模拟，可以通过关键帧记录材质贴图的变化来实现对水流流态的模拟。由于引水管道、蜗壳及尾水管中的水流流态非常复杂且每个部位都不一样，可以将引水管道、蜗壳及尾水管三部分设定为相同的水材质，然后分别调整各部分UVW Mapping的Gizmo形状及位置，并将参数调整过程记录为动画关键帧，达到模拟各部分水流流态的目的。下面利用瀑布沟水电站水轮发电机组的三维模型，来介绍水轮发电机水流流态模拟的具体方法和步骤。

（1）将制作好的瀑布沟水电站水轮发电机组三维模型载入3DS Max，模型中引水管道、蜗壳及尾水管中的水体是在各自模型的基础上修改而成的，可以保证水体模型完全充满整个输水系统。

（2）制作用于模拟水的材质，新建一个标准材质，然后设定Ambient（R129，G157，B200）／Diffuse（R129，G157，B200）／Specular（R178，G195，B221）／Self-Illumination（R0，G120，B138）／Opacity（30）以及Specular Highlights中的相关参数，这些颜色和参数的设定可根据水体的颜色特征通过不断调整来获得，Maps中可以设定Diffuse Color的Map为Gradient Remp，用来模拟水的波光明暗变化，同样设定Bump贴图为Gradient Remp类型，用来表现水体表面的起伏变化，Gradient Remp的参数中有关颜色的设定可参照Diffuse的颜色，稍加变化即可。最终的水的材质效果如图7-9所示。

（3）将上面制作的材质分别赋予引水管道、蜗壳和尾水管，并在Modify（修改）命令面板中的修改器列表中选择UVW Mapping，分别设定每个对象的贴图类型。根据引水管道、蜗壳和尾水管的几何特征，可以使用Cylindrical贴图方式，并对每个对象的Gizmo进行移动、旋转和缩放操作，使其处于恰当的位置，每个对象的Gizmo调整结果如图7-10所示。

图7-9　水材质效果图

（4）打开Auto Key按钮并选中引水管道对象，拖动时间滑块到特定位置（比如200帧处，帧数的大小影响水流流速的快慢），在修改命令面板中选择UVW Mapping的Gizmo，这时可在视图中沿引水管道轴线移动Gizmo一段距离，这时在第0帧位置和当前帧位置自动生成两个关键帧，这代表贴图Gizmo只在发生位移以模拟水流动的效果，为了使在整个有效动画帧范围内重复循环以上位移，需要在Track View Curve Editor对话框的层级列表中选择引水管道的UVW Mapping／Position项目，修改参数曲线的循环方式。添加Gizmo的位移循环后的参数曲线和Param Curve Out-of-Range Types对话框如图7-11所示。这样就完成了引水管道的水流流态的模拟动画设置。

图7-10　对象的Gizmo调整结果

图7-11　参数循环曲线的设置(www.xing528.com)

（5）根据蜗壳的水流特点，须通过动画记录对蜗壳的贴图Gizmo对象的旋转操作来模拟水流流态，而尾水管则要通过动画记录Gizmo对象的旋转和移动操作来模拟其水流流态。蜗壳和尾水管部位的Gizmo旋转和位移参数循环曲线的设置可依照上一步的方法分别完成，最终实现整个引水发电系统的输水系统水流流态的模拟，图7-12为瀑布沟电站水轮发电机组运行模拟的渲染效果图，从图中可以看出引水管道、蜗壳和尾水管中的水流流态。

图7-12　水轮发电机组运行水流流态模拟效果图

需要说明的是，以上介绍的水流流态模拟方法只是基于视觉感官的一种三维动画模拟，并不是对水力学计算结果的可视化显示，这种模拟方法只是大体上符合实际水流的流动特征。在水利水电工程模拟动画制作过程中，导流洞出口、泄洪洞出口、尾水洞出口等的水流流态也可用上述方法来模拟。