对OSWEC（海洋表面波浪能量转换器）的高保真数值研究：湍流模型、入射波角度变化以及不规则波浪的影响

《Ocean Engineering》：High-fidelity numerical investigation of OSWEC: Effects of turbulence models, varying incident wave angle and irregular waves

波浪能转换器性能优化研究。采用OpenFOAM CFD模型分析矩形 flap OSWEC在不同湍流模型、入射波角度及不规则波场下的水力特性与能量捕获效率，验证了 buoyancy-modified SST模型在提升数值稳定性方面的优势，揭示了波浪入射角度对转角与捕获宽度的余弦平方依赖关系，并指出规则波模拟对不规则海况性能评估的过度估计问题。

　　海洋波浪能作为一种重要的可再生能源，为可持续未来提供了潜在的电力来源。在众多波浪能转换装置中，振荡波浪涌能转换器（OSWEC）因其结构简单和较高的捕获宽度比（CWR）而备受关注。本研究通过使用高保真计算流体力学（CFD）方法，在OpenFOAM平台上对矩形摆板式OSWEC在多种条件下的性能进行了深入分析。这些条件包括不同的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）湍流模型、不同入射波浪角度以及方向性不规则波场。研究首先验证了CFD模型与已发表的实验数据的一致性，然后评估了不同RANS模型的性能表现。虽然所有湍流模型在自由表面抬升（FSE）和刚体响应方面表现相似，但标准的k-ε模型和k-ω SST模型在流体场和波浪的模拟中显示出轻微的过度阻尼现象，而经过浮力修正的k-ω SST模型则显著提高了数值模拟的稳定性和效率。

此外，研究还展示了随着波浪入射角度的增加，摆板的旋转幅度和CWR呈余弦平方关系系统性下降。这种角度敏感性受到摆板宽度与波长比值的强烈影响，当该比值降低时，设备的性能会有所提升。最后，通过在不规则波条件下进行模拟，研究揭示了OSWEC在真实海况下的性能表现出显著的波动性。结果显示，使用规则代表波进行模拟往往会高估OSWEC的性能，而与不规则海况相比，这种高估现象可能对设备的实际应用造成误导。

在研究背景中，波浪能转换装置（WECs）被广泛研究，因为它们能够从波浪中提取能量，为可持续能源供应做出贡献。根据其工作原理，WECs可以分为多种类型，包括振荡波浪涌能转换器（OSWECs）、点吸收器（PAs）、振荡水柱（OWCs）以及浸没式压力差装置等。其中，OSWECs因其结构相对简单和较高的能量捕获效率而备受青睐。这类装置通常由一个矩形摆板组成，摆板通过铰链或锚定装置连接到海底基础。当波浪冲击摆板时，其产生的摆动通过动力输出系统（PTO）转化为电能。目前，大多数研究集中在传统的正入射波浪条件下的矩形摆板OSWEC，探索其在不同波浪气候和PTO策略下的水动力性能和能量提取能力。

低保真度模型通常基于线性势流理论，假设流体不可压缩且无旋，同时忽略粘性效应。这类模型在早期设计阶段广泛应用，因为它们计算效率高，但牺牲了准确性。高保真度模型则采用计算流体力学（CFD）或光滑粒子流体动力学（SPH）方法，求解纳维-斯托克斯方程，通常结合可选的湍流模型。这些模型虽然能更准确地模拟WEC系统，但计算成本较高。实验室和现场试验则通过在更真实环境中测试缩尺或全尺寸设备来评估系统性能，但这类实验通常成本高昂，且受到设备限制和现场可达性的制约。

除了基本设计外，研究人员还探讨了多体和自浮式OSWEC阵列，这些阵列中的多个摆板相互作用，从而改变每个设备的自然频率和运动特性。增加摆板数量和宽度通常会提高整体的CWR，但较高的资本成本可能影响经济可行性。几何形状的变化，如圆柱形摆板、不同质量惯性、替代形状和截面以及可变几何设计，揭示了结构载荷与能量捕获之间的权衡。关于抬高的基础摆板的研究强调了铰链高度和摆板宽度对CWR的影响，这些影响因模型的具体设置而有所不同。此外，一些研究还探讨了实验室规模的便携式和可折叠OSWEC以及在系泊条件下使用的弯曲摆板配置。

传统上，许多波浪-结构相互作用（WSI）研究依赖于线性波理论、层流假设或最初用于边界层的RANS湍流闭合模型。这些模型在多相模拟中可能会过度阻尼自由表面动力学，并且在不规则或极端海况下低估设备的响应。尽管直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）提供了更高的保真度，但它们的计算成本对于常规设计研究来说过高。在RANS闭合模型中，标准的k-ε、k-ω和k-ω SST模型是最常用于WEC设备研究的，但它们在准确捕捉相间动力学和近壁边界层方面存在局限性。一些研究者尝试使用可实现的k-ε、Re-Normalization Group（RNG）k-ε等模型，但这些方法通常比标准模型计算更复杂，并可能高估涡粘性。

为了更好地量化湍流模型对波浪传播和OSWEC性能的影响，本研究采用了一种经过浮力修正的k-ω SST模型（kOmegaSSTBuoyancy），该模型首次由Devolder等人（2017）提出，通过在k-ω湍流方程中引入额外的浮力项，以提高模拟的准确性。随后，我们将这种方法与传统的RANS闭合模型（包括标准的k-ε和k-ω SST模型）以及层流基线模型进行了比较。研究还首次对OSWEC在斜入射波和方向性不规则波条件下的性能进行了高保真度评估，分析了流场、设备响应和性能表现。这些贡献填补了文献中的关键空白，并展示了高保真度CFD模拟在支持OSWEC设计和控制策略方面的重要性。

在方法部分，本研究使用OpenFOAM v2312对OSWEC设备进行了波浪-结构相互作用的模拟。采用了两相求解器overInterDyMFoam，该求解器结合了体积分数（VOF）方法用于界面捕捉，以及六自由度刚体运动求解器和动态网格功能。为了适应摆板的运动并避免网格变形，研究采用了一种重叠（Chimera）网格策略，即一个贴体网格围绕摆板进行重叠。通过这种策略，可以更准确地捕捉波浪与结构之间的复杂相互作用。

在收敛性测试部分，研究比较了三种背景网格分辨率（表2）：粗网格（C1）、中等网格（C2）和细网格（C3），同时在波浪A条件下保持摆板周围的重叠网格不变。图7展示了不同网格下摆板旋转角度的时间历史。粗网格（C1）始终低估了摆板的最大旋转幅度；相比之下，中等网格（C2）和细网格（C3）产生的最大旋转幅度和波形形状几乎一致。C2和C3网格的几乎完美重叠表明，在保证计算精度的同时，中等分辨率网格能够有效平衡计算成本与模拟准确性，因此被选为所有后续模拟的基础。

本研究的结论表明，通过使用高保真度CFD模型和重叠网格策略，可以更准确地模拟OSWEC在湍流模型、波浪入射角度和方向性不规则波条件下的性能。收敛性测试的结果显示，中等分辨率背景网格（C2），其CPL为230，CPH为12，达到了网格独立性，从而在计算成本与模拟准确性之间取得了良好的平衡。这种网格配置被用于所有后续的模拟分析，以确保研究结果的可靠性。

此外，研究还发现，使用标准的k-ε和k-ω SST模型可能会导致流体场和波浪的模拟出现轻微的过度阻尼现象，这可能影响设备在真实海况下的性能预测。相比之下，经过浮力修正的k-ω SST模型显著提高了数值模拟的稳定性和效率，使其更适合用于复杂海况下的波浪能转换研究。研究进一步揭示了波浪入射角度对OSWEC性能的显著影响，随着角度的增加，摆板的旋转幅度和CWR呈余弦平方关系下降。这种角度敏感性受到摆板宽度与波长比值的强烈影响，当该比值降低时，设备的性能会有所提升。

在不规则波场条件下，研究发现OSWEC的性能表现出显著的波动性。使用规则代表波进行模拟往往会高估设备的性能，而与实际不规则海况相比，这种高估可能对设备的实际应用造成误导。因此，进一步研究在方向性不规则波条件下的OSWEC性能对于提高其在真实海况下的预测能力至关重要。本研究通过高保真度CFD模拟，首次对OSWEC在斜入射波和方向性不规则波条件下的性能进行了详细分析，提供了对波浪能转换装置在复杂海况下行为的重要见解。

本研究的贡献在于，首次应用了经过浮力修正的k-ω SST模型对OSWEC进行高保真度模拟，并与传统的RANS模型和层流基线模型进行了比较。同时，本研究还首次对OSWEC在斜入射波和方向性不规则波条件下的性能进行了高保真度评估，分析了流场、设备响应和性能表现。这些研究结果不仅填补了文献中的关键空白，还为OSWEC的设计和控制策略提供了更可靠的理论支持。通过使用高保真度CFD模型，研究人员可以更准确地预测设备在复杂海况下的性能，从而优化其设计和运行策略，提高波浪能转换的效率和可靠性。

在未来的研究中，可以进一步探索不同湍流模型对OSWEC性能的影响，特别是在高雷诺数和复杂海况下的表现。此外，还可以研究不同几何形状和尺寸的摆板对设备性能的影响，以及多体和自浮式OSWEC阵列在实际应用中的潜力。通过这些研究，可以更全面地理解OSWEC在各种条件下的行为，为波浪能转换技术的发展提供更加坚实的理论基础和实践指导。