在开阔水域及波浪集中条件下，对一种集成了多孔环的圆柱形开水面的波浪能转换（OWC）装置进行的实验研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Experimental investigation on a cylindrical OWC device integrated with a porous annulus in open-water and wave-concentrating conditions

　　**庄倩泽|宁德志|罗伯特·梅恩|叶祥基|林红星**
大连工业大学海岸与海洋工程国家重点实验室，中国大连116024

**摘要**
在开发振荡水柱（OWC）波浪能量转换器时，如何在最大化能量转换效率的同时最小化波浪载荷仍然是一个关键挑战。为了解决这一矛盾，提出了一种集成有外部同心多孔环的圆柱形OWC装置。系统性的缩比实验根据是否集成有能量聚焦的抛物面防波堤，将其分为开放水域和波浪聚集条件进行测试。前者侧重分析OWC装置的流体动力性能，而后者则着重评估其波浪到导线的效率及载荷特性。在开放水域条件下，由于多孔环减少了波浪能量向高阶分量的传递，使得更多基频分量进入腔室，因此流体动力效率得以提高。此外，多孔环引起的波浪衍射和反射也促进了流体动力效率的提升。集成多孔环后，作用在OWC装置上的水平力减少了高达31.5%。在波浪聚集条件下，当相对波高为0.125时，峰值和平均波浪到导线效率分别达到了110%和46%。多孔环降低了输出功率的波动，同时将水平波力的峰值和谷值分别降低了29.9%和41.2%。随着波浪非线性的增加，多孔环的减载效果更加明显，而OWC装置仍保持了较高的功率输出水平。总体而言，本研究提出的创新设计实现了高能量转换效率并提高了结构可靠性，可为OWC装置的进一步商业化发展提供有力技术支持。

**引言**
加速可再生能源的部署以替代碳基化石燃料，已被广泛认为是实现加速脱碳的基本策略[1]。在尚未得到充分利用的可再生能源中，海洋波浪能量因其广泛的空间分布、低间歇性和高能量密度而受到关注[2]、[3]、[4]。目前，全球已开发出多种波浪能量转换器，其中振荡水柱（OWC）装置在技术上最为成熟且具备商业前景[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。OWC装置依靠海洋波浪在腔室内引起水柱的周期性振荡，从而通过孔口产生双向气流驱动空气涡轮机发电[11]、[12]、[13]。相比之下，其他两种常见的波浪能量转换器——振荡体[14]、[15]和溢流装置[16]、[17]——更多地依赖于与入射波浪直接作用的浮子或外部结构。由于OWC装置将主要动力输出（PTO）系统置于水线以上，并且水下移动机械部件较少，因此通常被认为具有更高的运行可靠性。然而，为了满足工程应用要求，OWC装置的能量转换效率和结构可靠性仍有进一步提升的空间。主要挑战在于，为了最大化从波浪中提取的能量，OWC装置经常承受较大的波浪载荷，这使得在效率和可靠性之间难以取得平衡[18]。

在提高波浪能量转换效率方面，已经进行了大量富有成效的研究[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，这些研究主要关注优化OWC装置的几何配置[19]、[20]、[21]、[22]或其动力输出系统的性能[24]、[25]、[26]、[27]。然而，这些方法带来的效率提升相对有限。王等人[28]提出了使用抛物面墙来聚焦入射波浪能量的概念，并通过实验发现焦点处的波高可提高至原来的2.5倍。近年来，许多研究者探讨了使用抛物面防波堤显著提升波浪能量转换效率的方法[29]。邵等人[29]利用边界元方法和高斯过程回归优化了抛物面防波堤的几何参数，当防波堤的弦长和焦距与入射波长匹配时，理论焦点的无量纲波幅比未优化配置时提高了20.3%。此外，张等人[30]通过实验表明，将双腔OWC装置与抛物面防波堤结合使用可以进一步提高流体动力效率[30]。还有一些研究关注抛物面墙与OWC转换器阵列之间的耦合[31]。宁等人[31]通过实验证明了三单元阵列系统在所有测试波况下可实现高达63.6%的峰值波浪到导线效率，并保持超过25%的效率[31]。尽管这些研究在波浪能量转换效率上取得了显著进展，但往往伴随着OWC装置承受的波浪载荷大幅增加。关于结构可靠性的考虑仍然不足。

在可靠性方面，已有研究探讨了作用在OWC装置上的波浪载荷特性[32]、[33]、[34]、[35]、[36]，但减少装置载荷的实际解决方案仍然较少[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。Korkmaz和Gedikli[37]提出使用人工支柱来减少OWC装置上的海侧波浪载荷，实验结果证实，在最佳支柱配置下，虽然保持了OWC装置孔口的气流，但冲击载荷得以降低[37]。Ko等人[38]对集成有多孔墙的箱型OWC装置进行了实验研究，发现多孔墙使OWC腔室壁上的波浪压力减少了14%[38]。庄等人[39]和宁等人[40]分别将多孔板集成在陆基和海基箱型OWC装置上，结果表明这两种配置都能有效降低波浪载荷，同时保持原有的流体动力效率[39]、[40]。不过，上述减载研究均为二维模型，这些方法是否适用于三维圆柱形OWC装置尚不明确[34]、[35]、[36]。目前有研究表明，使用多孔壳体可以有效减轻三维结构上的波浪载荷[41]。Qiao等人[41]证明宏观计算流体动力学（CFD）方法可以准确模拟波浪与多孔环之间的相互作用[41]。此外，对于给定的孔隙率，多孔环直径的变化对内层圆柱体所受波浪载荷的影响很小[42]。Pan等人[42]通过实验证明了用截断的多孔壳体替换海床固定圆柱体的不透水壳体的效果，结果显示与传统不透水壳体相比，多孔壳体显著降低了圆柱体底部的剪切力和弯矩[42]。进一步研究表明，从减载性能和成本考虑，孔隙率为10%为最佳选择[43]。Cong等人[43]基于势流理论分析了薄多孔环对浮动结构的影响，发现由于多孔环的耗散作用，结构的漂移载荷和运动响应均得到了降低[43]。

基于以上研究结果，集成多孔环可能有助于减少作用在三维圆柱形OWC装置上的波浪载荷。由于多孔环主要耗散高频波浪能量，而OWC装置吸收的是相对低频波浪的能量，因此其集成不太可能显著影响OWC装置的发电性能[43]、[44]。这种互补机制还表明，多孔环可以与其他效率提升策略（如波浪聚集结构，例如抛物面防波堤）结合使用[43]、[44]。然而，据作者所知，目前文献中尚未有关于这一主题的系统性研究[45]、[46]。因此，为了填补这一研究空白，进行了一系列物理模型实验，将先前提出的二维方法[39]、[40]扩展到开放水域和波浪聚集条件下的三维配置[47]、[48]。在开放水域条件下，主要研究集成多孔环的圆柱形OWC装置的流体动力性能[47]，在此基础上进一步结合了PTO单元和抛物面防波堤[47]，特别关注系统的波浪到导线性能以及波浪聚集条件下的OWC装置载荷[47]。本研究的目的是解决长期存在的如何在提高波浪能量转换效率的同时显著减轻OWC装置波浪力的挑战[48]。本研究首次提出了一种兼具高效性和强结构可靠性的综合解决方案，为OWC波浪能量转换器的大规模应用提供了有力技术支持。

**本文结构**
第2节详细介绍了开放水域和波浪聚集条件下的实验设置。第3节介绍了数据分析方法。第4节前两个小节全面研究了开放水域条件下集成多孔环与未集成多孔环的OWC装置的流体动力性能，阐明了多孔环与波浪相互作用的机制[49]。最后两个小节分析了多孔环对波浪到导线效率及波浪聚集条件下OWC装置载荷的影响，并揭示了波浪非线性的效应[50]。第5节总结了本研究的主要结论[51]。

**实验设置**
物理实验在大连工业大学海岸与海洋工程国家重点实验室的波浪水池中进行，如图1、图2所示。水池尺寸为长40米、宽24米、深1.2米。水池一端安装了由70个模块组成的翼板式波浪生成系统，另一端设置了倾斜海滩以消散传播的波浪。此外，如图3、图4所示……

**数据分析**
本研究从两个方面评估OWC装置：能量转换效率和波浪引起的载荷。具体而言，首先研究了开放水域条件下OWC装置的流体动力效率，然后进一步研究了波浪聚集条件下的波浪到导线效率[52]。在波浪载荷方面，分析的重点是作用在OWC装置侧壁上的水平波浪力[53]。

**开放水域条件下的流体动力效率**
图6(a)显示，在开放水域条件下，OWC装置的峰值流体动力效率出现在两个考虑的波高（H=0.05米和0.075米）相同的共振频带。偏离共振条件时，流体动力效率逐渐降低[54]。Wang等人[47]指出，流体动力效率与入射波幅A、自由水面振幅以及OWC腔室内气压振幅有关……

**结论**
本研究通过系统性物理实验探讨了集成多孔环对圆柱形OWC装置性能的影响。根据是否安装抛物面防波堤，实验分为开放水域条件和波浪聚集条件[55]。开放水域条件旨在探索OWC装置的流体动力性能，而在波浪聚集条件下，则重点分析了波浪到导线的效率[56]。

**作者贡献声明**
庄倩泽：撰写——原始草稿、方法论、研究设计。
宁德志：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。
罗伯特·梅恩：撰写——审稿与编辑、资金获取。
叶祥基：撰写——审稿与编辑。
林红星：撰写——审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB4204101）、国家自然科学基金（项目编号U25B20228、52250410362和U22A20242）以及中国通信建设集团大型研发项目的支持。