3D圆柱形振荡水柱波浪能转换器的性能研究与多目标优化：在效率与结构成本之间寻求平衡

《Energy》：Performance study and multi-objective optimization of 3D cylindrical oscillating water column wave energy converter: balancing efficiency and structural cost

平衡波浪能转换效率与制造成本，本研究构建三维CFD模型与代理模型的多目标优化框架，优化圆柱形OWC-WEC的腔体宽度、孔口宽度、吃水深度和壁厚等参数，实现效率超0.6，特定功率最大提升237.8%，为设计提供理论支持。

　　

徐黄|林楚森|杨一峰|金鹏|张恒明|唐天宁|周彬珍

华南理工大学亚热带建筑与城市科学国家重点实验室，中国广州510641

摘要

在能量转换效率和制造成本之间取得平衡对于波浪能技术的成功商业化至关重要。为此，本研究首先基于三维计算流体动力学（CFD）模型开发了一个多目标优化框架。然后将该模型与基于替代模型的优化算法集成，以高效优化圆柱形振荡水柱波浪能转换器（OWC-WEC）的几何形状。这一新颖的框架旨在提高能量转换性能，同时最小化计算成本。从数值结果来看，OWC装置的水下外部结构在能量转换中起着关键作用。此外，装置的吃水深度显著影响最大功率提取的最佳波浪周期。增加壁厚会阻碍水颗粒进入腔室，并提高制造成本。装置的开口比率会影响空气动力阻尼系数，进而影响能量转换效率。在不同海况下，可以针对每种情况制定最佳配置。优化后的设计实现了超过0.6的能量转换效率，在整个运行海况范围内平均效率有所提升，特定功率输出（单位结构质量的功率）的最大增幅为237.8%。该方法为OWC-WEC的集成水动力和结构优化提供了宝贵的见解。

引言

如今，能源是全球共同关注的问题。为了实现人类社会的可持续发展，开发经济上可行的清洁能源是一个全球性目标（SDG 7）[1]，该目标计划到2030年将全球能源效率提高一倍[2]。海洋提供了丰富的可再生能源[3]，其中波浪能因其高能量密度和大规模潜力而特别有前景[4]。波浪能转换器（WEC）用于捕获并将波浪能转换为电能[5]，为社会发展提供能源支持。根据工作原理[6]，WEC可分为振荡浮子型、振荡水柱型和溢流型。OWC结构相对简单，由一个带有开口的浮动平台和位于水面以上的空气涡轮机组成[7]。波浪进入空气腔室，引起海水运动，从而驱动气压变化，使涡轮机旋转并产生电能。由于其可靠的运行性能，它已成为广泛使用的波浪能转换装置[8]，典型的装置包括澳大利亚的greenWAVE（1 MW）[9]和韩国的Yongsoo（500 kW）[10]。

近年来，关于WEC的研究不断增加[11]，尤其是OWC装置[12]，提出了许多新的概念和方法[13]、[14]、[15]。然而，波浪能的商业化仍处于非常早期的阶段[16]。在所有因素中，波浪能产业发展面临的主要制约是高技术成本、制造和维护成本[17]以及低能量转换效率。因此，有必要优化WEC的水动力性能，以提高其整体性能，从而降低波浪能的平准化成本（LCOE）[18]，进一步推动波浪能产业的发展。

为了提高OWC装置的波浪能转换效率，研究人员最初专注于研究其水动力特性。早期的研究主要将OWC简化为二维模型，理论研究包括Evans[19]、Sarmento & Falc?o[20]、Falnes & McIver[21]，他们基于线速度势理论研究了OWC腔室内的水柱振荡和压力分布。然而，这些方法忽略了流体粘度的影响。随着计算技术的进步，数值方法开始被用来解决势流问题。例如，Delauré & Lewis[22]和Ning等人[23]分别使用线性和高阶边界元方法研究了OWC的能量转换特性。随后，为了更准确地捕捉OWC的运行行为和内部流动动力学，CFD方法变得越来越普遍。Wang等人[24]、Iturrioz等人[25]、Chen等人[26]、Wen等人[27]、Elhanafi等人[28]、López等人[29]、Ding等人[30]对OWC的参数进行了研究。同时，也进行了物理实验来分析和优化OWC装置，包括Morris-Thomas等人[31]、Iturrioz等人[32]、Ning等人[33]、Ashlin等人[34]、Liu等人[35]，他们研究了装置配置和波浪参数对能量转换效率的影响。然而，只有少数研究采用了优化算法来对装置的多个参数进行设计优化。但这些研究仍为后续研究提供了宝贵的指导。

除了二维研究外，还需要考虑实际海况下OWC装置的三维效应，以更准确地评估其性能。Elhanafi等人[36]通过实验和CFD数值方法研究了波浪条件和不同功率提取（PTO）阻尼对波浪力的影响，并得出结论，空气动力阻尼显著影响垂直力。Zhou等人[37]、[38]使用高阶边界元方法开发了一个圆柱形OWC装置的数值模型，并研究了能量转换效率和装置上非线性波浪载荷的变化。结果表明，结合空气动力阻尼可以准确模拟时间域中的能量转换过程。Yang等人[39]基于CFD建立了一个圆柱形OWC模型，然后研究了腔室参数和PTO阻尼对转换效率的影响。他们得出结论，在某些运行条件下，减小前壁吃水深度可以提高效率，调整前壁宽度与圆柱直径的比例可以达到19.3%的峰值效率。Xu & Huang[40]使用OpenFOAM研究了圆柱形底部OWC腔室内的液位晃动机制。他们发现，OWC腔室尖锐边缘产生的涡脱落通过共振振荡机制增强了腔室内的空间非均匀性。Wang & Zhang[41]基于CFD开发了两个平行的圆柱形OWC模型，并指出，前部狭窄后部宽的设计可以提高能量利用率。在这种情况下，最佳效率是在支撑结构开口角度为180°时实现的。He等人[42]通过波浪水槽实验研究了不同PTO阻尼、吃水深度和波浪高度对圆柱形OWC效率的影响。总体而言，理论研究与OWC装置的商业化发展之间仍存在差距。需要解决三个关键挑战：（1）很少有研究考虑了多个设计参数的三维OWC系统的能量转换效率，相关影响因素仍不清楚；（2）关于在发电效率和装置成本之间取得平衡的研究仍然不足；（3）应用多目标优化方法来提高OWC装置的水动力性能尚未得到足够重视。

为了解决这些挑战，本研究通过CFD建立了一个三维OWC数值模型，分析和优化了影响发电效率的主要参数。本研究的主要创新如下：（1）通过将三维CFD模型与替代模型和优化算法集成，开发了一个新的优化框架，大大提高了计算效率。（2）研究了四个关键设计参数（包括腔室宽度、孔口宽度、装置吃水深度和壁厚）对能量转换性能的影响。（3）使用考虑能量转换效率和结构质量的多目标优化方法评估了装置性能。

其余部分安排如下：第2节描述了本研究中使用的数值模型和优化框架。第3节介绍了波浪水槽和OWC装置的几何形状，并进行了网格独立性研究以验证数值模型。然后进一步用实验数据验证了数值结果。第4节进行了初步探索性分析，之后进行了基于替代模型的优化。第5节分析了四个参数（腔室宽度、孔口宽度、装置吃水深度和壁厚）对转换效率和优化装置综合性能的影响。第6节给出了结论。

部分摘录

控制方程和边界条件

数值模型基于计算流体动力学方法，该方法已经过验证[43]、[44]，被认为适合采用。在数值波浪水槽（NWT）中建立了OWC与波浪之间的三维相互作用，使用STAR-CCM+求解器。CFD能够高效模拟水体的复杂振荡以及OWC内的气液耦合。

NWT设置

图3显示了三维NWT的配置及实际尺寸。水槽的总长度为L₄=6λ，其中λ表示入射波的波长。水槽宽度为w=4米，水深为h=1米。OWC固定在水槽中心，距离波入口L₃=3λ，距离侧壁2米。OWC的初始尺寸参数如图3所示。装置的外径为D=0.8米，内腔的半径为D₀=0.6米，确保

结构形式的影响

为了确定高效的OWC最佳几何形状，本节研究和比较了四种结构配置：模型A、模型B、模型C和传统的直立圆柱模型（图10）。所有模型具有相同的吃水深度、壁厚、水下开口面积和开口比率，唯一的区别在于它们的外部结构形状。研究目标是在波浪作用下改善OWC的空间压力和空气速度变化[59]。模型A是

响应面方法（RSM）和帕累托分析

替代模型的响应面等高线图如下所示。对于运行条件T=1.45s的优化结果（图15），当d₁是最优值时，初始效率随d₂的增加而增加，然后减少。这一趋势表明，过宽或过窄的壁厚都会对能量转换效率产生不利影响。增加壁厚会阻碍水颗粒进入腔室，

结论

本研究建立了一个多目标优化框架，结合参数采样、CFD计算和替代模型来优化三维圆柱形OWC装置的性能。系统地优化了四个关键几何参数（包括腔室宽度、孔口大小、吃水深度和壁厚），以实现最大化波浪能转换效率和最小化结构质量之间的平衡。此外，还研究了结构配置对

CRediT作者贡献声明

徐黄：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，形式分析，数据管理，概念化。林楚森：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，形式分析，数据管理。杨一峰：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，方法论，形式分析。金鹏：监督，资源协调，项目管理，方法论，调查。张恒明：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，

未引用参考文献

[14]。

数据可用性

数据将按需提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFB4204101）、国家自然科学基金（52222109、52571291）、中央高校基本科研业务费（2025ZYGXZR026）和广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515240006）的支持。