根据国际能源署（IEA）的数据，过去十年全球能源需求持续增长。化石燃料占全球能源结构的80%，与之相关的二氧化碳排放量达到了37.4亿吨的历史最高水平（世界气象组织，2025年）。与工业化前相比，全球平均气温上升了超过1.5°C，这显著增加了气候变化的风险和影响。因此，加速可再生能源的发展和促进能源结构的转型已成为各国共同的优先事项（IEA，2024年）。作为一种海洋可再生能源，波浪能因其广泛的资源分布和高能量密度而受到广泛关注。全球可开发的波浪能资源每年约为20,000太瓦时（TWh），与全球电力消耗量处于同一数量级（Jin和Greaves，2021年）。因此，合理开发波浪能已成为应对能源挑战的有效途径。
波浪能转换技术可以追溯到1799年，并在石油危机的影响下开始蓬勃发展。到1980年，已经提交了超过1000项关于波浪能转换器（WEC）的专利，此后又提出了更多WEC概念（Falc?o，2010年）。与其他形式的可再生能源利用不同，WEC在设计上存在显著差异，且没有主导的技术路线（欧盟委员会和联合研究中心，2022年）。尽管许多WEC概念已进入海试阶段，但尚未形成统一的行业共识，商业化进程缓慢（Y. Zhang等人，2021年）。其中一个重要原因是极端海洋环境对WEC的生存性能构成了重大挑战。
广州能源转换研究所（GIEC）设计的Eagle WEC源自Salter's Duck装置（Salter，1974年）。2012年，10千瓦的Sharp Eagle I进行了海试，初步验证了Eagle波浪能转换技术的可行性（Zhang等人，2017年）。经过十年的发展，100千瓦的Wanshan WEC（Sheng等人，2017年）和兆瓦级的Nankun WEC（Ocean Energy Systems，2024年）相继完成了海试。结果表明，Eagle WEC具有高发电效率、高运行稳定性，并且易于与其他海洋能源结合形成互补平台，因此具有广阔的发展前景。然而，海试发现，在风暴引起的高波条件下，浮体会过度运动并与后端液压传动系统及其他结构部件发生碰撞，导致设备损坏。为了解决这个问题，Chen等人（2016年）分析了碰撞机制并提出了两种解决方案：增加浮体的运动限制角度和扩大液压蓄能器的容积。尽管这些解决方案有效减少了碰撞损伤，但碰撞现象仍然存在。此外，从综合建造和成本角度来看，这些并非最佳策略。本文重点研究浮体的动态响应，并探讨了运动抑制策略。
值得注意的是，在物理波浪水池中研究高波条件下WEC的动态响应具有挑战性和高成本。这是因为过高的或陡峭的波浪难以再现，且在这种情况下浮体会受到破坏。因此，使用数值工具是必不可少的。基于势流理论的线性模型在海洋工程中得到广泛应用，因为它们计算效率高，适用于符合线性假设的小振幅波浪条件。然而，对于具有强非线性的波浪，更多依赖于高保真计算流体动力学（CFD）方法（Dell’Edera等人，2024年；Li和Wu，2024年；Zhao和Ning，2024年）。特别是，CFD方法旨在求解纳维-斯托克斯方程，主流软件中使用的离散化方法是基于有限体积法（VOF）的网格划分方法，该方法利用流体体积来捕捉自由表面，定义结构的相应自由度，从而模拟波浪-结构相互作用（Berrio等人，2025年；Song等人，2023年；Yang等人，2023年）。为了捕捉WEC的大振幅运动，传统的动态网格划分方法可能因网格变形严重而失效。作为一种新的替代方案，重叠网格方法可以在设备的大振幅运动过程中保持网格质量并确保结果的准确性（Luan等人，2024年；Katsidoniotaki和G?teman，2022年）。
Eagle波浪能转换器（WEC）由于浮体在高波条件下的过度运动而导致的碰撞损伤，本质上是振荡体WEC固有的端止现象。端止碰撞产生的瞬时冲击载荷可能导致结构损伤和局部塑性变形，加速疲劳累积，并引发PTO系统故障，这使得振荡体WEC的生存能力设计面临关键挑战（Jenne等人，2025年）。Zhang等人（2024年）提出了一种机械转换机制来解决液压PTO系统中的端止问题，该机制结合了复合铰链和摆动缸机构，将原始运动转换为更平滑的轨迹。这种设计有效减轻了端止冲击载荷并提高了系统稳定性。然而，由于不同WEC在结构和运动特性上的差异，机械缓冲或限制设计通常是特定于设备的，不能普遍应用于所有类型的WEC。Tan等人（2025年）使用非线性时域数值模型研究了不同PTO参数设置对极端海况下点吸收式WEC极端载荷的影响。他们的结果表明，增加PTO阻尼可以显著减少端止系统所经历的极端载荷。Shahroozi等人（2022年）在极端海况和中等水深条件下进行了波浪水池实验，研究了不同PTO载荷和波浪类型下的载荷变化，包括波浪破碎和溢出等非线性现象。结果表明，在极端条件下，适当调整阻尼可以最小化系泊绳力的峰值。尽管PTO载荷调节是提高波浪能转换器生存能力的常用策略，但它通常需要在系统设计中增加额外的冗余，这不可避免地会导致成本增加。
在WEC生存能力研究的最新进展中，压载物调节作为一种提高振荡体WEC生存能力的有效策略被越来越多地引入。Xi等人（2026年）提出的可调吃水深度WEC（ADWEC）通过压载水池和泵送系统实现动态吃水深度控制。他们的结果表明，在极端波条件下，增加吃水深度可以显著抑制载荷和纵荡响应，从而提高设备的生存能力。尽管压载物调节较少直接用于生存能力目的，但许多研究表明，它与设备运动响应特性的显著变化密切相关。Maria-Arenas等人（2024年）使用边界元素方法结合实验研究了压载物布置对浮体运动的影响。结果表明，不同的压载物配置可以有效调整响应幅值的峰值和带宽（RAO）。Cai等人（2022年）基于波浪水池实验提出了一种具有可调自然周期的俯仰型WEC。其关键概念是通过重新定位可调质量块来修改旋转惯性，从而控制设备的自然周期和响应幅度（RAO）。该研究应用压载物调节和PTO载荷控制来抑制Eagle WEC的运动响应，并验证了这种协调策略在提高设备生存能力方面的有效性。
本文基于CFD方法建立了Eagle WEC的数值模型。第2节介绍了Eagle WEC的概念和CFD理论，第3节提供了数值模型设置和收敛性验证结果。第4节在物理波浪水池中进行了1:30比例的模型测试，全面验证了数值模型的高保真度。第5节描述了PTO载荷和压载物对浮体运动的影响以及生存策略。第6节提出了结论。
本研究旨在解决Eagle WEC在高波条件下浮体过度运动导致的生存能力问题。以往的研究主要从结构强度的角度分析了这个问题，但碰撞引起的损伤仍然存在。相比之下，本研究关注浮体的运动响应，以开发抑制策略。在现有的WEC生存能力研究中，PTO载荷调节和机械缓冲是最常用的方法。尽管有少量研究探索了压载物调节，但这些努力主要限于结构相对简单的点吸收式WEC，而其他类型的WEC在结构配置和动态特性上存在显著差异。本研究将压载物调节与PTO载荷调节结合，并应用于Eagle WEC。结果验证了这种组合调节策略在提高设备生存能力方面的有效性，为严重海况区域的Eagle WEC的操作管理和设计优化提供了定量指导。
