作者:OPRA Turbines International BV公司Darsini Kathirgamanathan(燃气轮机性能工程师)和Thijs Bouten(首席燃烧工程师 )
OPRA Turbines 是一家总部设立在荷兰,致力于燃气轮机开发、制造和售后的高新技术企业。凭借独特的燃烧技术,OPRA 可以使其 OP16 燃气轮机将污染的燃料废气转变为电能和清洁尾气,实现极具成本效益的 “永不停机” 供电和供热。
OP16 燃气轮机的额定功率为 1. 85 MWe。根据具体的应用和要求,可以在 OP16 燃气轮机上安装不同的燃烧系统。燃气轮机发电机组采用集装箱式封装(如图 1 所示),包括 OP16 燃气轮机、燃料系统、发电机、控制系统、进气口和通风系统。
图 1:OPRA OP16 燃气轮机发电机组
CFD 仿真是 OPRA 设计过程的重要一环,需要用其来分析并优化设计各方面的流程,包括燃烧、涡轮机械和气体扩散分析。
OPRA 在使用商业 CFD 软件的同时,也使用开源软件 OpenFOAM。要进行 CFD 分析,生成质量良好的网格是必不可少的前提,而六边形网格在 OpenFOAM 中有很大的用武之地。尽管 OpenFOAM 有各种开源的网格划分工具,可以胜任简单的几何形状;但是,在处理真实的(工业)几何体时则力不从心——因为它们的几何体导入功能有限、操作界面不直观、提供的文件也寥寥可数。
“ Cadence Fidelity Automesh 网格划分工具是 OPRA 的首选解决方案,因为它支持完整的六边形和六边形混合网格,可自动进行网格划分,将结果直接输出到 OpenFOAM。”
图2说明了 Cadence Fidelity 网格划分工具在 OPRA CFD 仿真分析中的应用。这一工具是 OPRA 的首选解决方案,因为它支持完整的六边形和六边形混合网格,可自动进行网格划分,再将结果直接输出到 OpenFOAM。Fidelity Hexpress 用于燃烧和气体扩散分析,Fidelity Autogrid 则用于涡轮机械。
图 2:OPRA 的 CFD 仿真过程
下文将通过案例研究来具体了解 Fidelity Automesh 在 CFD 仿真中的应用。
案例研究
OPRA 为其 OP16 发电机组开发了一个船用版本。作为该项目的一部分,他们对 OP16 船用发电机组封装进行了气体扩散分析。OP16 船用发电机组在运行时会使用多种燃料,其气体成分和能量密度可能存在很大差异。
外壳(包括气体系统)应确保可以在气体泄漏的情况下提供防爆保护,因为外壳的通风空气和气体混合物可能形成 LEL(爆炸下限)体积云,在有火源的情况下可能被点燃。为了确保外壳内的气体不会造成危险,必须在正确的位置安装气体检测器,以识别实际泄漏。作为外壳气体扩散分析的一部分,OPRA 进行了 CFD 研究,以分析封装内的通风气体流动行为和气体泄漏引起的 LEL 体积云的行为。
CFD 研究中考虑的气体泄漏属于微泄漏,可能发生在法兰盘、配件或管道的小裂缝处。为了进行气体扩散分析,他们确定了气体系统中可能出现泄漏的位置,并在这些位置进行微泄漏仿真。
CFD 仿真分两步进行:首先,进行流仿真,泄漏的气流将在指定的边界条件下与空气混合。第二步是基于被动标量法进行仿真,旨在捕捉 LEL 体积云。
“优秀的网格划分是成功运行 CFD 分析的基本要素之一。Fidelity Automesh 可以轻松对复杂的几何体进行网格划分,然后提供一个非常精细的网格。许多功能可以自动执行,从而在生成网格的过程中为用户节省大量时间。此外,在 CAD 中对几何体所做的任何细小的改动,都可以在 Fidelity Automesh 中轻松修改。”
OPRA 使用 Fidelity Automesh 网格划分工具对船用发电机组封装进行网格划分。该封装的几何形状非常复杂,包括薄而小的表面、小孔和狭窄的管道。尽管如此,Fidelity Automesh 依然可以轻松对其进行网格划分,提供非常精细的网格。许多功能可以自动执行,从而在生成网格的过程中为用户节省大量时间。
此外,在 CAD 中对几何体所做的任何细小的改动,都可以轻松修改。这个功能帮助OPRA快速生成了不同泄漏规模的网格。图 3 是为其中一个气体泄漏点创建的网格。
图 3:由 Fidelity Automesh 创建的 OP16 船用发电机组封装网格
下图 4 是从 CFD 分析中得到的一个泄漏点的 LEL 体积云。红色的 LEL 体积云代表 100% 的 LEL 体积云,绿色的体积云代表气体检测器设定点将检测到的体积云。根据气体检测器设定点所要求的体积云(绿色显示),确定气体检测器的位置。如果外壳有任何气体泄漏,放置在这些位置的气体检测器将确保检测到泄漏。
图 4:从 CFD 分析中得到的一个泄漏点的 LEL 体积云
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