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研究人员针对振荡水柱（OWC）转换器能量提取研究中常忽略流场不对称性问题，开展其非对称振荡机制研究。通过实验发现流场速度分布、涡旋生成等存在不对称性，这影响能量提取效率。该研究为优化 OWC 设计提供依据。
在海洋能源开发的大舞台上，波浪能作为一种极具潜力的可再生能源，正逐渐走进人们的视野。振荡水柱（OWC）式波浪能转换器凭借其设计简单、耐用性高和适用性广等优势，成为了众多研究者关注的焦点。然而，在过去对 OWC 转换器的研究中，多数研究都聚焦于能量提取性能，却常常忽视了其内部流场的演化机制。更关键的是，许多研究假设流场内水柱振荡是对称的，但实际情况却并非如此，这种差异在真实环境中表现得尤为明显，极大地影响了对 OWC 转换器工作原理的准确理解以及后续的优化设计。为了填补这一研究空白，深入探究 OWC 转换器的非对称振荡机制变得至关重要。
在此背景下，研究人员开展了针对 OWC 转换器非对称振荡机制的研究。该研究成果发表在《Applied Ocean Research》上，为进一步理解和优化 OWC 转换器提供了重要依据。
研究人员采用粒子图像测速技术（PIV）对不同规则波条件下 OWC 转换器周围的流场进行分析。实验在一个长 25m、宽 0.7m、高 0.7m 的透明波浪水槽中进行，通过设置 12 种不同的波浪条件，包括不同的波高（
H = 0.02m、0.04m、0.06m、0.08m）和波周期（
T = 0.8s、1.0s、1.2s），利用 PIV 技术在不同视场（FOV1、FOV2、FOV3）下对水流速度场进行测量。
研究结果主要从以下几个方面展开：
- 振荡不对称的表现
- 水面演化的不对称性：通过对数据进行基于波浪周期性的相位平均处理，研究发现随着波高增加，无量纲水面（ηd）的振幅显著减小。而且，水面最低值出现的时间会随着波高增加而提前，这意味着水流出腔室的持续时间更短，表明了水柱振荡过程存在不对称性。
- 流场演化的不对称性：从流场速度等值线图可以看出，水流出腔室时，随着波高增加，高速度区域变得更加突出；而水进入腔室时，高速区域的极值和范围都较小。这种速度分布的差异证实了水柱振荡的不对称性。
- 流型的不对称性：计算振荡水柱体积（Q）以及不同高度处水进出腔室的比例（pexit、penter）发现，在较小波高条件下，pexit和penter沿高度y分布相近；随着波高增加，pexit在靠近前壁处的峰值更加明显，而penter的低速度区域扩大。这表明水进出腔室的模式存在差异，水流出腔室的过程往往更高效。
- 不对称涡旋生成过程
- 雷诺剪应力：通过分析相位平均雷诺剪应力（Rss = <<v′u′>>）来表征高低速流之间的剪切情况。结果显示，波高增加会使Rss总体增加，且在水流出和流入腔室时，流分离的位置和模式存在差异，这导致了涡旋生成位置的不同。
- 湍动能：利用湍动能（TKE = 0.5（<u′2> + <v′2>））来描述非定常流。研究发现TKE在一个波浪周期内是不对称的，波高增加会显著增加TKE。而且，TKE的分布和变化受波高和波周期的影响，进一步说明了涡旋生成和演化的不对称性。
- 不对称涡旋演化及影响
- 波周期小于共振周期时的涡旋演化：在T = 0.8s 条件下，随着波高增加，涡旋强度和范围增大。水流出腔室时，增强的背风涡导致低速区域持续时间延长，影响流出通量分布；水进入腔室时，背风涡和向海涡相互作用，阻碍水进入，使进入通量分布变平，减少了进入腔室的水量。
- 共振及更长波周期时的涡旋演化：随着波周期增加，向海涡远离前壁，背风涡在不同位置形成和演化，对水流的影响减小。但背风涡仍会影响流场模式，且向海涡位置变化会改变水流特性，使pexit和penter更接近，表明前壁涡旋是不对称流的关键因素。
- 流场的对称性和不对称性：尽管向海涡和背风涡导致流场不对称，但它们之间存在相似的流体动力学过程。在较弱的水动力条件下，涡旋位置相对前壁具有对称性，但迁移过程不对称。随着水动力增强，小尺度的不对称性更加明显，影响整个振荡流场。
研究结论表明，OWC 转换器在水流出和流入腔室时速度分布存在显著差异，涡旋形成具有明显的不对称性，这种不对称流型会影响 OWC 的能量提取效率。虽然在小浪高时流场不对称性可忽略，但在大浪高时，其影响显著增强。此外，向海涡和背风涡之间存在共生关系。
该研究通过详细的 PIV 实验结果，清晰地揭示了 OWC 流场的不对称特征及其内在原因。然而，随着 OWC 创新设计的不断涌现，不同形状可能会导致流场行为发生显著变化，因此还需要进一步开展流场研究，以得出更具普遍性的结论。这一研究为深入理解 OWC 转换器的工作机制提供了重要参考，对优化 OWC 设计、提高波浪能转换效率具有重要的理论和实践意义，有望推动海洋波浪能开发利用领域的进一步发展。
