基于WEC-Sim的振荡水柱式波浪能转换器非线性时域建模与性能分析

《Ocean Engineering》：WEC-Sim wave-to-wire model of a floating oscillating-water-column wave energy converter

本文针对振荡水柱式波浪能转换器（OWC）在非线性时域分析中的建模挑战，提出了一种基于WEC-Sim软件平台的扩展建模方法。研究人员通过引入非线性压力-流量关系、真实涡轮特性以及系泊系统，构建了更精确的OWC时域模型。研究结果表明，非线性效应在高波幅下显著影响能量捕获，而系泊系统对功率输出的影响相对较小。该研究为OWC装置在真实海况下的性能预测和优化设计提供了重要的仿真工具和理论依据。

　　

在应对全球气候变化和能源转型的背景下，海洋波浪能作为一种储量巨大、可再生的清洁能源，正受到越来越多的关注。其中，振荡水柱式波浪能转换器（OWC）因其结构相对简单、可靠性高而成为最具应用前景的技术之一。然而，OWC系统的性能预测和优化设计面临着巨大的挑战。传统的频域分析方法虽然计算效率高，但通常基于线性化假设，难以准确捕捉真实海况下OWC的非线性动力学行为，例如空气腔室内的非线性压力-流量关系、真实涡轮的复杂特性以及系泊系统对浮体运动的约束等。为了克服这些局限，研究人员需要开发更精确的时域仿真工具，以评估OWC在复杂海况下的真实性能，并指导其优化设计。

为了回答上述问题，研究人员在《Ocean Engineering》上发表了一项研究，旨在扩展和验证WEC-Sim软件平台在OWC系统非线性时域建模方面的能力。WEC-Sim是一个开源的数值仿真工具，广泛应用于波浪能转换器的动力学分析。本研究通过引入非线性空气动力学模型、真实涡轮特性以及系泊系统动力学，构建了一个更全面的OWC时域仿真框架。研究结果表明，非线性效应在高波幅下对能量捕获性能有显著影响，而系泊系统在模拟海况下对功率输出的影响相对较小。该研究为OWC装置在真实海况下的性能预测和优化设计提供了重要的仿真工具和理论依据。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：

1. 1.
   WEC-Sim平台扩展建模：在WEC-Sim软件框架内，开发了新的“压力力块”模块，用于求解OWC系统的非线性控制方程，包括空气腔室内的质量守恒和动量守恒方程。
2. 2.
   非线性空气动力学模型：采用非线性的压力-流量关系来描述空气在腔室内的压缩和膨胀过程，取代了传统的线性化模型，以更准确地模拟高波幅下的系统响应。
3. 3.
   真实涡轮特性模拟：引入了基于实验数据的非线性涡轮特性曲线，用于计算涡轮的流量和功率系数，从而更真实地反映涡轮的能量转换效率。
4. 4.
   系泊系统动力学分析：利用MoorDyn模块对系泊系统进行建模，考虑了系泊线的质量、浮力块以及流体拖曳力，以评估系泊系统对浮体运动的影响。
5. 5.
   时域与频域对比验证：通过将非线性时域模型的结果与线性频域分析结果进行对比，验证了所开发模型的准确性，并分析了非线性效应带来的差异。

OWC基础模型在WEC-Sim中的验证

研究人员首先构建了一个简化的OWC基础模型，该模型仅考虑浮体和活塞的垂荡运动，并采用线性化的压力-流量关系。通过将该模型在WEC-Sim中的仿真结果与解析的频域解进行对比，验证了WEC-Sim求解OWC问题的基本能力。结果表明，在适当的仿真时间步长下，WEC-Sim的数值解与频域解高度吻合，证明了该平台在求解线性OWC问题上的准确性。

时间步长与记忆函数分析

为了确保数值计算的精度和效率，研究人员对仿真时间步长和记忆函数（用于计算辐射力的卷积积分）的积分时间进行了分析。研究发现，当时间步长小于0.01秒时，数值解能够很好地收敛。对于记忆函数的积分时间，当积分区间超过20秒时，结果趋于稳定，进一步延长积分时间并不会显著提高精度。因此，后续研究采用了0.01秒的时间步长和20秒的积分区间。

空气腔室压缩性的影响

研究分析了空气腔室压缩性对能量捕获性能的影响。通过改变腔室的初始高度，研究人员发现，腔室压缩性效应会改变系统的共振特性，从而影响能量捕获效率。在特定波频下，较大的腔室体积（即较小的压缩性）有助于提高能量捕获宽度比，表明腔室设计对OWC性能有重要影响。

非线性压力-流量关系的影响

研究人员将线性化的压力-流量关系替换为非线性的精确关系，以评估非线性效应的影响。结果表明，在高波幅下，非线性效应变得显著。与线性模型相比，非线性模型预测的腔室压力峰值更高，而波谷更低，导致压力波形呈现非对称性。这种非对称性对涡轮的可用功率有显著影响，因为功率与压力的平方成正比。因此，在高能海况下，忽略非线性效应会导致对能量捕获性能的预测出现偏差。

非线性涡轮的影响

研究进一步引入了基于实验数据的非线性涡轮特性。与线性涡轮相比，非线性涡轮在高压力下的流量较低，导致腔室内压力峰值更高。同时，非线性涡轮对浮体和活塞的相对运动也产生了更明显的非线性影响。研究比较了不同非线性涡轮系数下的能量捕获性能，发现涡轮系数的选择对系统性能有重要影响，且非线性效应在高波幅下更为显著。

不规则波中的模型行为

为了模拟真实海况，研究人员采用Pierson-Moskowitz谱来生成不规则波，并对OWC模型进行了仿真。结果表明，OWC在不同海况下的性能差异很大。在中等能量的海况下，OWC的能量捕获宽度比最高，因为该海况的波频更接近OWC的共振频率。与规则波相比，不规则波中的能量捕获性能不能简单地通过能量周期来预测，因为波谱的分布对性能有重要影响。

系泊系统对功率的削减

最后，研究引入了系泊系统模型，以评估系泊力对OWC性能的影响。仿真结果表明，系泊系统对浮体运动产生了一定的约束，导致能量捕获宽度比略有下降。这种功率削减效应在高能海况下更为明显，但总体而言，在模拟的海况下，系泊系统对功率输出的影响相对较小。

本研究通过扩展WEC-Sim软件平台，成功构建了一个能够准确模拟振荡水柱式波浪能转换器（OWC）非线性动力学行为的时域仿真模型。研究结论和重要意义可归纳如下：

1. 1.
   模型验证与精度：研究证实了WEC-Sim平台在求解OWC问题上的有效性。通过对比线性时域模型与频域解析解，验证了模型的准确性，并确定了保证计算精度的关键参数，如时间步长和记忆函数积分区间。
2. 2.
   非线性效应的关键作用：研究揭示了非线性效应在OWC性能预测中的重要性。在高波幅下，空气腔室内的非线性压力-流量关系会导致压力波形失真，从而显著影响涡轮的可用功率。忽略这些非线性效应会导致对高能海况下能量捕获性能的预测出现严重偏差。
3. 3.
   涡轮特性的影响：非线性涡轮的特性对系统动力学和能量捕获性能有显著影响。与线性涡轮相比，非线性涡轮会导致更高的腔室压力峰值和更复杂的系统响应，因此在设计阶段必须考虑涡轮的真实特性。
4. 4.
   海况适应性与性能优化：在不规则波中的仿真结果表明，OWC的性能高度依赖于海况。能量捕获宽度比在海况的波频接近OWC共振频率时达到最大值。这强调了根据目标海域的波候特征来优化OWC设计的重要性。
5. 5.
   系泊系统的影响评估：系泊系统对浮体运动产生约束，导致能量捕获性能略有下降。这种影响在高能海况下更为明显，但在模拟的海况下，其总体影响相对较小，表明所采用的系泊系统设计是合理的。

综上所述，本研究开发的非线性时域仿真模型为OWC装置在真实海况下的性能预测、优化设计和控制策略制定提供了强大的工具。该模型能够更准确地捕捉系统的非线性动力学行为，从而为波浪能技术的商业化应用和成本降低提供了重要的技术支撑。