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案例12：海洋温差能透平

案例12：海洋温差能透平

1. 案例介绍

海洋温差能是海洋中蕴藏的太阳辐射能，以表层海水与深层海水之间的温度差的形式储存，其基本原理是利用朗肯循环系统进行发电，如图12-1所示，系统中的关键部件包括蒸发器、冷凝器、透平、工质泵及发电机，其中低沸点工质在蒸发器中经温海水加热，变成饱和气体，进入透平中推动透平做功带动发电机发电，而乏气则进入冷凝器，由冷海水将其冷却成饱和液体，再经工质泵送入蒸发器，如此循环将热能转化成电能。透平作为海洋温差能发电系统中的关键设备，其安全、稳定、高效的运行是整个发电系统安全稳定高效运行的必要条件，对系统的发电效率影响重大。本案例使用计算流体力学商业软件ANSYS-Fluent对温差能透平进行模型构建、网格划分及数值求解等，对结果文件进行了可视化后处理。

图12-1 海洋温差能发电装置工作原理

2. 案例学习目标

（1）了解海洋温差能的工作原理；

（2）了解计算流体力学求解的基本方法与流程；

（3）掌握温差能透平模型及网格划分的方法；

（4）掌握温差能透平模型的设置方法以及全流域模拟的求解步骤；

（5）掌握数据处理能力与可视化处理方法，实现温差能透平关键性能参数的模拟与预测。

3. 案例基本内容

（1）温差能透平模型构建

本案例的计算域分为蜗壳、上游导流区、喷嘴、动叶片及尾水管五部分，各部分单独绘制几何模型及网格。温差能透平与常用水轮机结构相似，可采用专业的叶轮及蜗壳设计软件CFturbo构建透平几何模型，通过CFturbo分别设计蜗壳、喷嘴、动叶片及尾水管尺寸，设计完毕后将几何文件输出，如图12-2所示。

图12-2 温差能透平几何模型

（2）网格划分及计算求解设置

温差能透平的网格结构使用结构化网格与非结构化网格相结合的方法，尾水管、上游导流区及喷嘴这些结构简单的区域采用结构化网格，这样可以减少网格的数量，且规则的网格排列可以规避不必要的数值耗散，使数值计算的结果更加精确；对于动叶片和蜗壳结构部分，利用非结构化网格进行网格创建，非结构化网格具有良好的适应性，适用于具有复杂边界或结构的流场计算，网格划分细节图如12-3所示。

温差能透平计算求解需要设置气相，并选择适合的边界条件、湍流模型、计算求解策略及检测的物理量进行求解。对于温差能透平模型，蜗壳的入口需要设置为质量流量入口边界条件，尾水管的上部需要设置为压力出口边界条件，透平其余边界设置为静止无滑移壁面，并选择合适的湍流模型，需要监测的关键物理量通常包含透平进出口温度、压强、质量流量及焓值等，通过这些物理量可以评估透平性能。详细步骤可见本案例配套出版的图书教程。

图12-3 温差能透平网格划分

（3）后处理

根据计算过程中监测的关键物理参量，可利用公式计算装置的空气功率、转换效率等性能指标。此外，还可通过后处理展现装置压力云图、温度云图及流场等信息，如图12-4所示，有助于进一步揭示装置的能量转换机理。

图12-4 计算结果云图

4. 案例小结与案例应用效果

透平作为温差能系统的原动机，其性能直接影响系统效率，因此选择高效的透平是非常重要的。本案例介绍了如何利用常见的网格划分软件ICEM CFD构建温差能透平模型，并利用ANSYS-Fluent开展数值模拟计算，对反应装置能量转换性能的关键物理参量进行了监测，最后介绍了装置压力分布云图、温度云图的后处理方法，有助于进一步揭示装置的能量转换机理。

海洋温差能透平案例下载(提取码1234)