海洋熱能轉換（OTEC）是一種海洋可再生能源技術。它的原理是利用熱帶海洋表層海水（大約25攝氏度）與深層海水（大約1000米處為5攝氏度）之間的溫度梯度。與許多可再生能源技術相比，OTEC能產生不受天氣條件影響的可靠電力。這種溫度梯度能產生持續的電力供應。在中期內，OTEC將幫助滿足熱帶地區日益增大的電力需求并保障他們未來的能源獨立自給。這種創新性解決方案是化石燃料的綠色替代方案，目前仍然廣泛應用在未與大陸性電力網絡聯網的偏僻地區。
DCNS目前可提供功率為16MW的交鑰匙式海洋熱能浮動式離岸解決方案。該集團在2014年7月獲得歐盟資金資助的NEMO（馬提尼克和海外新能源）項目框架下，在馬提尼克開發一種浮動式OTEC發電廠。
為方便該發電廠的冷凝器設計，DCNS研究團隊借助ANSYS仿真軟件和服務加快產品開發過程。該項目展示了OTEC技術有望幫助未與大陸電網聯網的海島區域實現能源自給自足。
郎肯循環
圖1 OTEC郎肯循環
DCNS利用其在為潛艇和水面船舶設計推進系統的經驗，開發出一種基于傳統郎肯循環的OTEC，其中使用氨作為閉式循環中的工作流體。液態氨先進入蒸汽發生器，通過靠近海面的暖水進行加熱。隨后液態氨通過恒壓沸騰成為氣體。渦輪需要恒定的供應壓力，因此加熱時可以產生更多蒸汽，以替換被渦輪消耗的蒸汽。蒸汽穿越渦輪時膨脹，驅動發電機，然后進入冷凝器被冰冷海水冷卻，再次成為液體。該液體隨即用泵送回蒸汽發生器，該循環重復運行。
圖2 滯留流體（左）、以蒸汽速度（中）、淹沒（右）
冷凝器對于郎肯循環渦輪的性能非常關鍵。冷凝器內置大量水平管道，周圍是循環往復的液態工作流體（本例中是氨）。管道中循環的是冷卻液，一般是冰冷海水。管道裝配體外工作流體的冷凝涉及多種復雜現象。氣體接觸管道時會冷凝產生液膜。管道裝配體中膜的形狀會根據周圍氣體速度和重力而變化。冷凝液從上方的管道落向下方的管道（淹沒）。根據冷凝率，冷凝液下落的方式可以是液滴、液柱或連續的液膜。氣體速度不斷增大會攪動液膜，加強熱交換，而淹沒會增大液膜厚度，減少熱交換。冷凝器設計的目標一般是最大限度地增加熱交換以縮小管束的尺寸，從而縮小冷凝器的尺寸，降低其成本。
圖3 管束（上）、多孔介質模型（中）和網格剖分（下）
設計人員一般通過分析方法創建初始設計來開發冷凝器。這種方法的缺陷在于分析方法未將冷凝器的幾何形狀納入考量范圍，因此不能預測熱交換器的局部值。因此冷凝器的關鍵環節，是管束的設計無法得到優化。物理測試一般使用具有流體動力學性能的、實驗室規模的原型，往往不能精確地擴展到生產尺寸的裝置上。
圖4 OTEC原型的三維仿真
冷凝器仿真
許多年來，DCNS在把ANSYSCFD解決方案用于新設計故障排除和研究方面取得了巨大的成功。但為了把仿真工作流從研究遷移到設計工程，該組織機構需要開發能在不影響結果精確度的情況下、在幾分鐘（而非數天）內提供答案的可靠模型。法國的ANSYS Customer Excellence團隊為DCNS開發出一系列簡化但綜合全面的可靠模型。這些模型能幾乎立即良好地預測冷凝器行為。協作過程非常順利，結果符合預期。DCNS工程師隨即使用新的方法開發出附加模型，用于仿真三維淹沒。這樣負責產品設計與開發的工程師能夠獲得通常只有研究人員才能使用的強大仿真工具。
圖5 Coleson Cove發電廠冷凝器的CFD結果
DCNS正在使用ANSYS Fluent改進冷凝器設計過程。冷凝器模型在描述管束時，將其等效為多孔介質域。這種方法讓DCNS能夠顯著減少網格單元的數量。雖然如此，仍然有必要通過添加源項來正確地模擬所有的液力現象和熱現象，從而完成Navier–Stokes方程的求解。
該模型假設只有氣相流；不存在冷凝液。冷凝器中液體的比例非常小，一般只有管道周圍薄薄的一層。但是這層薄液膜在管道內壁與外壁之間的熱交換中發揮著關鍵作用。一種算法可確定每根管道的流速并計算出管束中液膜的淹沒情況。這種方法能夠計算出淹沒導致的熱阻并將熱阻整合到冷凝流速的計算中，因冷凝流速取決于每根管道內外之間的熱平衡。熱交換則是根據從資料中得到的分析關聯度加以確定。
圖6 OTEC冷凝器原型的實驗數據與CFD結果對比
冷凝流速則用質量守恒方程中的一項表示。動量守恒方程中加入一個用于表達管束氣壓損耗的源項。
壓降和冷凝流速這兩個源項用用戶定義的函數計算。定制的用戶界面簡化了仿真的設置流程，降低了輸入差錯風險。ANSYS Meshing用四面體單元和六面體單元自動生成網格。
該團隊在OTEC冷凝器原型上成功地驗證了這一仿真方法。DCNS工程師比較了管道內部的蒸汽質流速和出口溫度。CFD結果與實驗數據非常吻合。
DCNS工程師還仿真了加拿大圣約翰Coleson Cove發電廠的蒸汽驅動熱機使用的冷凝器。就Coleson Cove發電廠而言，工程師將CFD結果與實驗數據做了對比，其中包括六個不同點的溫度。CFD結果與實驗數據良好吻合，如圖中所示。
借助CFD仿真，第一次可以在建造大比例尺原型之前精確地預測熱交換器的局部值。這樣讓產品設計工程師在設計過程早期更方便地優化管束設計，提升熱交換器的性能。
在下一個項目中，DCNS計劃使用CFD仿真優化管束幾何形狀和進口位置，從而提升蒸汽速度，限制淹沒情況。該CFD模型將用于在構建第一個原型之前顯示這些現象和優化設計。DCNS預計通過仿真可以實現重量更輕、尺寸更小、成本更低、而且能滿足或超過性能要求壓縮機設計。這種定制化過程讓設計工程師能夠運用仿真工具加快設計過程。該結果有助于降低未來OTEC、熱機發電廠設施和船舶推進系統的尺寸與成本。
圖7 Coleson Cove電廠測量點
圖8 Coleson Cove電廠CFD和實驗壓力結果對比
圖9 Coleson Cove電廠CFD和實驗溫度結果對比
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