作者：OPRA Turbines International BV公司Darsini Kathirgamanathan（燃氣輪機性能工程師）和Thijs Bouten（首席燃燒工程師 ）

OPRA Turbines 是一家總部設(shè)立在荷蘭，致力于燃氣輪機開發(fā)、制造和售后的高新技術(shù)企業(yè)。憑借獨特的燃燒技術(shù)，OPRA 可以使其 OP16 燃氣輪機將污染的燃料廢氣轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎颓鍧嵨矚猓瑢崿F(xiàn)極具成本效益的 “永不停機” 供電和供熱。

OP16 燃氣輪機的額定功率為 1. 85 MWe。根據(jù)具體的應(yīng)用和要求，可以在 OP16 燃氣輪機上安裝不同的燃燒系統(tǒng)。燃氣輪機發(fā)電機組采用集裝箱式封裝（如圖 1 所示），包括 OP16 燃氣輪機、燃料系統(tǒng)、發(fā)電機、控制系統(tǒng)、進氣口和通風(fēng)系統(tǒng)。

圖 1：OPRA OP16 燃氣輪機發(fā)電機組

CFD 仿真是 OPRA 設(shè)計過程的重要一環(huán)，需要用其來分析并優(yōu)化設(shè)計各方面的流程，包括燃燒、渦輪機械和氣體擴散分析。

OPRA 在使用商業(yè) CFD 軟件的同時，也使用開源軟件 OpenFOAM。要進行 CFD 分析，生成質(zhì)量良好的網(wǎng)格是必不可少的前提，而六邊形網(wǎng)格在 OpenFOAM 中有很大的用武之地。盡管 OpenFOAM 有各種開源的網(wǎng)格劃分工具，可以勝任簡單的幾何形狀；但是，在處理真實的（工業(yè)）幾何體時則力不從心——因為它們的幾何體導(dǎo)入功能有限、操作界面不直觀、提供的文件也寥寥可數(shù)。

“ Cadence Fidelity Automesh 網(wǎng)格劃分工具是 OPRA 的首選解決方案，因為它支持完整的六邊形和六邊形混合網(wǎng)格，可自動進行網(wǎng)格劃分，將結(jié)果直接輸出到 OpenFOAM。”

圖2說明了 Cadence Fidelity 網(wǎng)格劃分工具在 OPRA CFD 仿真分析中的應(yīng)用。這一工具是 OPRA 的首選解決方案，因為它支持完整的六邊形和六邊形混合網(wǎng)格，可自動進行網(wǎng)格劃分，再將結(jié)果直接輸出到 OpenFOAM。Fidelity Hexpress 用于燃燒和氣體擴散分析，F(xiàn)idelity Autogrid 則用于渦輪機械。

圖 2：OPRA 的 CFD 仿真過程

下文將通過案例研究來具體了解 Fidelity Automesh 在 CFD 仿真中的應(yīng)用。

案例研究

OPRA 為其 OP16 發(fā)電機組開發(fā)了一個船用版本。作為該項目的一部分，他們對 OP16 船用發(fā)電機組封裝進行了氣體擴散分析。OP16 船用發(fā)電機組在運行時會使用多種燃料，其氣體成分和能量密度可能存在很大差異。

外殼（包括氣體系統(tǒng)）應(yīng)確保可以在氣體泄漏的情況下提供防爆保護，因為外殼的通風(fēng)空氣和氣體混合物可能形成 LEL（爆炸下限）體積云，在有火源的情況下可能被點燃。為了確保外殼內(nèi)的氣體不會造成危險，必須在正確的位置安裝氣體檢測器，以識別實際泄漏。作為外殼氣體擴散分析的一部分，OPRA 進行了 CFD 研究，以分析封裝內(nèi)的通風(fēng)氣體流動行為和氣體泄漏引起的 LEL 體積云的行為。

CFD 研究中考慮的氣體泄漏屬于微泄漏，可能發(fā)生在法蘭盤、配件或管道的小裂縫處。為了進行氣體擴散分析，他們確定了氣體系統(tǒng)中可能出現(xiàn)泄漏的位置，并在這些位置進行微泄漏仿真。

CFD 仿真分兩步進行：首先，進行流仿真，泄漏的氣流將在指定的邊界條件下與空氣混合。第二步是基于被動標量法進行仿真，旨在捕捉 LEL 體積云。

“優(yōu)秀的網(wǎng)格劃分是成功運行 CFD 分析的基本要素之一。Fidelity Automesh 可以輕松對復(fù)雜的幾何體進行網(wǎng)格劃分，然后提供一個非常精細的網(wǎng)格。許多功能可以自動執(zhí)行，從而在生成網(wǎng)格的過程中為用戶節(jié)省大量時間。此外，在 CAD 中對幾何體所做的任何細小的改動，都可以在 Fidelity Automesh 中輕松修改。”

OPRA 使用 Fidelity Automesh 網(wǎng)格劃分工具對船用發(fā)電機組封裝進行網(wǎng)格劃分。該封裝的幾何形狀非常復(fù)雜，包括薄而小的表面、小孔和狹窄的管道。盡管如此，F(xiàn)idelity Automesh 依然可以輕松對其進行網(wǎng)格劃分，提供非常精細的網(wǎng)格。許多功能可以自動執(zhí)行，從而在生成網(wǎng)格的過程中為用戶節(jié)省大量時間。

此外，在 CAD 中對幾何體所做的任何細小的改動，都可以輕松修改。這個功能幫助OPRA快速生成了不同泄漏規(guī)模的網(wǎng)格。圖 3 是為其中一個氣體泄漏點創(chuàng)建的網(wǎng)格。

圖 3：由 Fidelity Automesh 創(chuàng)建的 OP16 船用發(fā)電機組封裝網(wǎng)格

下圖 4 是從 CFD 分析中得到的一個泄漏點的 LEL 體積云。紅色的 LEL 體積云代表 100% 的 LEL 體積云，綠色的體積云代表氣體檢測器設(shè)定點將檢測到的體積云。根據(jù)氣體檢測器設(shè)定點所要求的體積云（綠色顯示），確定氣體檢測器的位置。如果外殼有任何氣體泄漏，放置在這些位置的氣體檢測器將確保檢測到泄漏。

圖 4：從 CFD 分析中得到的一個泄漏點的 LEL 體積云