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为解决波浪能开发难题，研究人员开展振荡水柱式波能转换器（OWC）与抛物线型防波堤耦合体水动力加载研究。结果表明该耦合体水动力负载显著增加，多种因素影响波力。这为 OWC - 抛物线型防波堤设计提供依据，助力海洋能源开发。
在当今能源领域，传统化石燃料日益枯竭，环境污染问题愈发严重，寻找可持续的清洁能源成为全球关注的焦点。波浪能作为一种储量丰富的可再生能源，具有巨大的开发潜力。然而，目前波浪能的开发面临诸多挑战，比如转换效率较低，开发设备在复杂的海洋环境中容易受损，而且建设和维护成本高昂。在众多的波浪能转换装置中，振荡水柱式波能转换器（OWC）因其结构稳定、机械部件位于水面以上等优势，受到了广泛关注。将 OWC 与防波堤进行多功能集成，被认为是提高波浪能开发经济性的有效途径。特别是与抛物线型防波堤结合时，理论上可聚焦波浪能，大幅提升能量捕获效率。但同时，OWC 也会受到汇聚的同心波相互作用，其承受的水动力负载对装置的生存能力至关重要，这一问题亟待深入研究和解决。
为了深入探究这一复杂的系统，大连理工大学的研究人员开展了相关研究。他们聚焦于 OWC 与抛物线型防波堤耦合体所受的波浪力，通过建立非线性时域边界元法（HOBEM）模型，模拟波浪与该多功能集成系统的相互作用，并进行了两组精细的实验来验证模型的准确性。在此基础上，利用验证后的模型预测不同环境条件和几何参数下，作用于 OWC 的非线性波浪力。研究成果发表在《Applied Ocean Research》上，为波浪能开发领域提供了重要的理论支持和实践指导。
在研究方法上，研究人员主要运用了两种关键技术。一是基于时域势流理论建立的二阶边界元法（HOBEM）模型，该模型能有效模拟非线性波浪与海洋结构物的相互作用；二是进行了两组实验，分别针对抛物线型防波堤附近的波浪场和 OWC 装置处的水动力流进行模拟，通过实验数据与模型预测结果对比，验证模型的可靠性。
下面来详细看看研究结果：
- 非线性波浪力对 OWC 装置的影响：研究发现，与孤立的 OWC 装置相比，耦合抛物线型防波堤后，OWC 装置在整个频率范围内承受的水动力负载显著增加。在特定的共振频率下，作用于集成系统的共振波浪力超过孤立装置所受波浪力的三倍。例如，在Lf/L = 1.26 和 1.74 时，OWC 装置的水平力（surge force）和俯仰力矩（pitch moment）出现共振频率，对应峰值力远超孤立装置。此外，二阶波浪力在某些波浪条件下作用显著，甚至超过一阶波浪的贡献。在压力分布方面，OWC 腔室壁的最大压力振幅位于后壁且靠近静水位，这意味着该区域更容易出现局部变形和疲劳损伤。
- 入射波方向的影响：入射波方向对 OWC 装置所受波浪力影响显著。随着入射波方向θ从 0 增加到 15°，水平力（surge、sway）、垂向力（heave）和俯仰力矩（pitch moment）的振幅在整个频率域内均减小，其中水平力和俯仰力矩变化趋势相似。在特定频率段，如Lf/L = 1.74 和 1.1 时，水平力和垂向力的最大减小比率分别达到 80.7% 和 85.6%。当θ≥10° 时，在某些频率段，OWC 装置所受波浪力甚至小于孤立装置。这是因为随着入射波角度增加，实际焦点位置移动，使得 OWC 装置周围的波浪场振幅减小。
- 抛物线型防波堤弦长和形状的影响：抛物线型防波堤的弦长对 OWC 装置所受波浪力在整个频率域都有显著影响。随着弦长减小，波浪力和力矩的振幅一致减小。当弦长从 18m 减小到 6m 时，峰值水平力和垂向力的减小比率超过 37%。在特定频率范围，较短弦长的防波堤会使 OWC 装置所受波浪力低于孤立装置，同时在某些频段能实现更好的波浪能转换。防波堤形状方面，不同焦距的抛物线型防波堤会使水平力和垂向力的峰值和谷值以四分之一波长间隔交替出现。例如，焦距Lf1 = 3.38m 时，垂向力的共振频率会向高频段移动，且在高频段垂向力相比其他焦距情况显著减小。
综合研究结论和讨论部分，该研究成果具有重要意义。一方面，明确了 OWC 与抛物线型防波堤耦合体的水动力特性，为这种多功能集成系统的设计提供了关键依据。例如，在设计 OWC 装置时，需充分考虑汇聚波引起的波浪力和压力分布，加强腔室壁在静水位区域的结构强度。另一方面，研究发现通过调整防波堤的几何参数，如弦长和形状，可以在一定程度上控制 OWC 装置所受波浪力，为优化波浪能转换效率提供了方向。不过，目前研究仅针对固定的 OWC 装置和单色波条件，未来研究可拓展到 OWC 装置阵列在非线性不规则波条件下的波浪捕获和受力分析，进一步完善数值模型以更精确地模拟强非线性相互作用，同时关注系泊漂浮 OWC 阵列的运动特性和能源成本等问题，从而推动波浪能开发技术的持续进步，为全球清洁能源发展做出更大贡献。
