基于SPH方法的波-流-结构相互作用对波浪能转换器锚固载荷影响的高保真数值研究

《Applied Ocean Research》：SPH-based modeling of a direct-drive WEC in extreme waves and currents

本文针对波浪能转换器(WEC)在极端波浪与海流耦合作用下的结构安全性问题，开展了一项高保真数值模拟研究。研究人员利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法，结合新型功率输出(PTO)模型和系泊系统求解器(MoorDynPlus)，深入分析了波-流-流固耦合(WSI)对点吸收式WEC动力学和锚固线张力的影响。研究结果表明，伴随海流会显著改变WEC的运动轨迹并加剧锚固载荷，而SPH模型能有效捕捉此类非线性相互作用。该研究为WEC在恶劣海况下的生存性设计和载荷预测提供了重要的数值工具和理论依据。

　　

海洋蕴藏着巨大的可再生能源潜力，波浪能转换器(Wave Energy Converter, WEC)作为开发利用这一资源的关键技术，正受到全球广泛关注。然而，WEC的长期可靠运行面临着严峻挑战，尤其是在极端海洋环境下的生存性问题。真实海洋环境中，波浪往往与海流共存，这种波-流耦合作用会显著改变波浪特性，并对漂浮式WEC的结构动力响应和系泊系统载荷产生复杂影响。准确预测WEC在极端波-流联合作用下的结构载荷，对于其安全设计和降低运维成本至关重要。传统的势流理论或简化模型在模拟强非线性波浪破碎、剧烈流体-结构相互作用(FSI)以及结构冲击载荷时存在局限性。因此，发展高保真的计算流体动力学(CFD)工具，以精确模拟波-流-结构相互作用(WSI)并评估WEC的极限载荷，成为当前研究的前沿和难点。

为了深入探究这一问题，研究人员在《Applied Ocean Research》上发表论文，基于开源的光滑粒子流体动力学(SPH)求解器DualSPHysics，建立了一个先进的数值波浪水槽。该研究创新性地集成了动态系泊线模型(MoorDynPlus)和一个新的、更高效的功率输出(PTO)摩擦阻尼模型，用于模拟一个点吸收式WEC（基于乌普萨拉大学WEC原型）在极端规则波和聚焦波（模拟极端事件）与均匀海流共同作用下的动态响应。研究旨在验证该数值框架的准确性，并系统分析不同海流条件（顺流、逆流、无流）和PTO阻尼设置对WEC运动学和系泊线张力的影响。

本研究的技术方法核心包括：1）采用弱可压缩SPH(WCSPH)方法求解Navier-Stokes方程，模拟流体运动；2）使用改进的动态边界条件(mDBC)处理固壁边界，并结合开放边界算法生成高精度的规则波和二阶聚焦波（基于NewWave理论）波场，并能叠加均匀背景流；3）开发了基于Stribeck和Coulomb摩擦模型的PTO力模型，更真实地模拟发电机阻尼效应；4）通过MoorDynPlus求解器计算系泊线动力学，并与DualSPHysics进行紧耦合求解。数值模拟在1:30的模型尺度下进行，并利用已有的物理模型实验数据对数值模型进行了验证。

2. 数值方法

研究人员采用了拉格朗日粒子法SPH作为核心流体求解器，通过Tait状态方程闭合控制方程。对于固体边界，采用了mDBC方法以确保压力场的稳定性。波浪生成基于高阶波浪理论，能够模拟包含均匀流的非线性波浪传播。

3. 数值设置

研究建立了二维数值水槽，并详细描述了规则波和聚焦波的生成理论。对于聚焦波，采用了第一阶和第二阶波浪理论来定义入流边界条件，并比较了基于不规则波理论和新波理论(NewWave)的两种聚焦振幅计算方法。

4. 验证

通过与实验数据的对比，验证了数值模型在模拟纯波浪传播、聚焦波传播以及WEC动力响应（包括垂荡、纵荡、纵摇和系泊线张力）方面的准确性。结果显示，SPH模型能够较好地捕捉WEC在波浪中的主要运动特征和张力峰值，尤其是在垂荡和张力方面与实验吻合良好。虽然在纵摇运动的高频成分上存在一些差异，但整体上证明了该数值框架的可靠性。

5. 研究

在验证的基础上，研究重点探讨了海流对WEC在极端海况下结构载荷的影响。

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  5.1. 底层海流作用下的锚固张力：分析表明，海流方向对锚固张力峰值有显著影响。在规则波作用下，顺流会增大张力峰值，而逆流则起到缓解作用。PTO阻尼的大小也调节着这一影响。对于聚焦波，顺流条件并不总是导致最大张力，其影响与波浪的非线性程度和WEC的瞬时运动姿态密切相关。
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  5.2. 生存性设计的海况实现：研究进一步选取了对应于25年、50年、100年和200年重现期的极端海况，并基于经验关系估算了与之相关的风生流速度，构建了更接近实际的极端波-流耦合条件。通过模拟这些条件，研究了WEC的运动轨迹和载荷响应。结果显示，在极端波-流环境下，WEC的运动轨迹（特别是在垂荡-纵荡平面内）会发生显著偏移，顺流会加剧浮体的水平漂移和系泊线的动态张力，从而对结构生存性构成更大威胁。

结论与讨论

本研究成功开发并验证了一个能够高保真模拟波-流-浮式结构相互作用的高效SPH数值模型。该模型整合了先进的波浪生成、PTO阻尼和系泊动力学模块，为分析WEC在复杂海洋环境下的性能与载荷提供了强有力的工具。研究主要结论指出：1）背景海流是评估WEC极限载荷不可忽视的因素，顺流通常会加剧系泊系统的动力载荷；2）WEC的动力响应（运动轨迹、各自由度间的耦合）受波-流相互作用的调制非常显著，表现出高度的非线性；3）PTO系统的阻尼特性与波浪、海流条件共同决定了载荷的峰值和特征。

该研究的意义在于，它强调了在WEC的设计和生存性分析中，必须考虑波-流联合作用这一关键物理过程。所建立的数值框架超越了传统方法的限制，能够捕捉到极端事件中复杂的非线性现象，如波浪冲击、结构大位移运动和系泊线松弛-张紧过程。这对于优化WEC结构设计、提高其可靠性和降低能源成本具有重要的工程指导价值。未来的工作可以进一步扩展至三维模拟、考虑更复杂的海流剖面以及集成控制策略优化。