海洋热能转换（OTEC）是一种海洋可再生能源技术。它的原理是利用热带海洋表层海水（大约25摄氏度）与深层海水（大约1000米处为5摄氏度）之间的温度梯度。与许多可再生能源技术相比，OTEC能产生不受天气条件影响的可靠电力。这种温度梯度能产生持续的电力供应。在中期内，OTEC将帮助满足热带地区日益增大的电力需求并保障他们未来的能源独立自给。这种创新性解决方案是化石燃料的绿色替代方案，目前仍然广泛应用在未与大陆性电力网络联网的偏僻地区。
DCNS目前可提供功率为16MW的交钥匙式海洋热能浮动式离岸解决方案。该集团在2014年7月获得欧盟资金资助的NEMO（马提尼克和海外新能源）项目框架下，在马提尼克开发一种浮动式OTEC发电厂。
为方便该发电厂的冷凝器设计，DCNS研究团队借助ANSYS仿真软件和服务加快产品开发过程。该项目展示了OTEC技术有望帮助未与大陆电网联网的海岛区域实现能源自给自足。
郎肯循环
图1 OTEC郎肯循环
DCNS利用其在为潜艇和水面船舶设计推进系统的经验，开发出一种基于传统郎肯循环的OTEC，其中使用氨作为闭式循环中的工作流体。液态氨先进入蒸汽发生器，通过靠近海面的暖水进行加热。随后液态氨通过恒压沸腾成为气体。涡轮需要恒定的供应压力，因此加热时可以产生更多蒸汽，以替换被涡轮消耗的蒸汽。蒸汽穿越涡轮时膨胀，驱动发电机，然后进入冷凝器被冰冷海水冷却，再次成为液体。该液体随即用泵送回蒸汽发生器，该循环重复运行。
图2 滞留流体（左）、以蒸汽速度（中）、淹没（右）
冷凝器对于郎肯循环涡轮的性能非常关键。冷凝器内置大量水平管道，周围是循环往复的液态工作流体（本例中是氨）。管道中循环的是冷却液，一般是冰冷海水。管道装配体外工作流体的冷凝涉及多种复杂现象。气体接触管道时会冷凝产生液膜。管道装配体中膜的形状会根据周围气体速度和重力而变化。冷凝液从上方的管道落向下方的管道（淹没）。根据冷凝率，冷凝液下落的方式可以是液滴、液柱或连续的液膜。气体速度不断增大会搅动液膜，加强热交换，而淹没会增大液膜厚度，减少热交换。冷凝器设计的目标一般是最大限度地增加热交换以缩小管束的尺寸，从而缩小冷凝器的尺寸，降低其成本。
图3 管束（上）、多孔介质模型（中）和网格剖分（下）
设计人员一般通过分析方法创建初始设计来开发冷凝器。这种方法的缺陷在于分析方法未将冷凝器的几何形状纳入考量范围，因此不能预测热交换器的局部值。因此冷凝器的关键环节，是管束的设计无法得到优化。物理测试一般使用具有流体动力学性能的、实验室规模的原型，往往不能精确地扩展到生产尺寸的装置上。
图4 OTEC原型的三维仿真
冷凝器仿真
许多年来，DCNS在把ANSYSCFD解决方案用于新设计故障排除和研究方面取得了巨大的成功。但为了把仿真工作流从研究迁移到设计工程，该组织机构需要开发能在不影响结果精确度的情况下、在几分钟（而非数天）内提供答案的可靠模型。法国的ANSYS Customer Excellence团队为DCNS开发出一系列简化但综合全面的可靠模型。这些模型能几乎立即良好地预测冷凝器行为。协作过程非常顺利，结果符合预期。DCNS工程师随即使用新的方法开发出附加模型，用于仿真三维淹没。这样负责产品设计与开发的工程师能够获得通常只有研究人员才能使用的强大仿真工具。
图5 Coleson Cove发电厂冷凝器的CFD结果
DCNS正在使用ANSYS Fluent改进冷凝器设计过程。冷凝器模型在描述管束时，将其等效为多孔介质域。这种方法让DCNS能够显著减少网格单元的数量。虽然如此，仍然有必要通过添加源项来正确地模拟所有的液力现象和热现象，从而完成Navier–Stokes方程的求解。
该模型假设只有气相流；不存在冷凝液。冷凝器中液体的比例非常小，一般只有管道周围薄薄的一层。但是这层薄液膜在管道内壁与外壁之间的热交换中发挥着关键作用。一种算法可确定每根管道的流速并计算出管束中液膜的淹没情况。这种方法能够计算出淹没导致的热阻并将热阻整合到冷凝流速的计算中，因冷凝流速取决于每根管道内外之间的热平衡。热交换则是根据从资料中得到的分析关联度加以确定。
图6 OTEC冷凝器原型的实验数据与CFD结果对比
冷凝流速则用质量守恒方程中的一项表示。动量守恒方程中加入一个用于表达管束气压损耗的源项。
压降和冷凝流速这两个源项用用户定义的函数计算。定制的用户界面简化了仿真的设置流程，降低了输入差错风险。ANSYS Meshing用四面体单元和六面体单元自动生成网格。
该团队在OTEC冷凝器原型上成功地验证了这一仿真方法。DCNS工程师比较了管道内部的蒸汽质流速和出口温度。CFD结果与实验数据非常吻合。
DCNS工程师还仿真了加拿大圣约翰Coleson Cove发电厂的蒸汽驱动热机使用的冷凝器。就Coleson Cove发电厂而言，工程师将CFD结果与实验数据做了对比，其中包括六个不同点的温度。CFD结果与实验数据良好吻合，如图中所示。
借助CFD仿真，第一次可以在建造大比例尺原型之前精确地预测热交换器的局部值。这样让产品设计工程师在设计过程早期更方便地优化管束设计，提升热交换器的性能。
在下一个项目中，DCNS计划使用CFD仿真优化管束几何形状和进口位置，从而提升蒸汽速度，限制淹没情况。该CFD模型将用于在构建第一个原型之前显示这些现象和优化设计。DCNS预计通过仿真可以实现重量更轻、尺寸更小、成本更低、而且能满足或超过性能要求压缩机设计。这种定制化过程让设计工程师能够运用仿真工具加快设计过程。该结果有助于降低未来OTEC、热机发电厂设施和船舶推进系统的尺寸与成本。
图7 Coleson Cove电厂测量点
图8 Coleson Cove电厂CFD和实验压力结果对比
图9 Coleson Cove电厂CFD和实验温度结果对比
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