基于最大波动量通量法的OBREC装置越浪特性解析与实验研究

针对越浪式波浪能转换器(WECs)设计中越浪流量估算精度不足的问题，研究人员通过最大波动量通量(MF )物理模型，建立了OBREC装置波浪爬高(R2 =92%)与越浪流量(R2 =87.34%)的解析-经验预测公式，揭示了临界相似参数ξ=4.2对越浪行为的分界效应，为海岸结构与可再生能源装置优化提供了物理机制明确的创新方法。

　　

波浪能作为海洋可再生能源的重要组成部分，其开发技术近年来备受关注。其中，越浪式波浪能转换器(Overtopping Wave Energy Converters, OWECs)因其结构简单、可靠性高而成为研究热点。然而，这类装置的性能高度依赖于越浪流量的准确估算，而传统方法多基于统计经验公式，缺乏对波-结构相互作用物理机制的深入理解。特别是在OBREC(Overtopping BReakwater for Energy Conversion)这类结合防波堤与能量转换的创新装置中，波浪爬高与越浪过程涉及复杂的非线性流体动力学问题，现有模型往往存在预测偏差。

针对这一挑战，研究人员开展了一项结合解析方法与实验验证的创新研究。该研究基于Hughes提出的波动量通量(Momentum Flux, M_F
)理论框架，将最大波动量通量(M_F
)_max
与OBREC斜坡上的水体爬升过程建立物理关联，提出了全新的预测模型。通过系统分析破碎波(plunging waves)与涌浪(surging waves)在不同几何结构下的行为特征，研究首次明确了临界相似参数ξ=4.2对越浪模式的分界作用，为装置优化设计提供了关键阈值。

研究采用解析-实验相结合的方法体系。理论部分基于非线性傅里叶波理论建立动量通量参数(M_F
/ρgh²
)_max
的无量纲表达式，其中A₀
=0.6392(H/h)^2.0256
和A₁
=0.1804(H/h)^-0.391
为经验系数。实验部分通过物理模型测试获取波浪爬高与越浪流量数据，验证了理论模型的预测精度。特别关注了斜坡角度(34°)、波高(H)、周期(T)及水深(h)等多参数耦合效应。

材料与方法
研究构建了包含解析推导与实验室测试的双重验证体系。理论模型将波浪爬高简化为三角楔形体，其重量与结构趾部的最大波动量通量成正比。通过引入等效越浪高度、 crest flow厚度和流速等物理参数，建立了考虑波-结构相互作用的控制方程。实验数据来自精确控制的水槽试验，涵盖不同海况与结构配置。

结果
建立的波浪爬高预测模型达到R²
=92%的拟合优度，越浪流量模型精度为R²
=87.34%，显著优于传统经验公式。研究发现当相似参数ξ>4.2时，越浪行为呈现明显不同的统计特征，这为装置分区设计提供了理论依据。通过对比AAU12与AAU14模型数据，验证了动量通量方法对不同几何配置的普适性。

结论与讨论
该研究创新性地将物理机制明确的波动量通量理论应用于OBREC装置性能预测，突破了传统纯经验模型的局限。提出的解析-经验公式不仅提高了预测精度，更能反映波高、周期、水深等参数的内在关联。确定的ξ=4.2临界值为装置优化提供了重要设计阈值，而建立的通用框架可扩展应用于其他海岸工程结构。研究成果发表于《Ocean Engineering》，为海洋可再生能源装置的设计理论发展做出了实质性贡献，同时为海岸防护-能源复合系统的开发提供了新思路。