海上振荡水柱波能转换器中流场演化特征的实验研究

本研究针对海上振荡水柱（OWC）波能转换器能量转换效率受限的问题，通过粒子图像测速（PIV）技术系统探究了功率输出（PTO）阻尼、波周期与波高对双通道流场涡旋演化的影响。研究发现，短波周期加剧前壁涡旋，长周期增强后壁涡旋强度，而低PTO阻尼可减少进出流相位差并提升涡旋活性。该成果为优化离岸OWC几何设计、提升深海波能开发效率提供了关键理论支撑。

　　

随着全球对可再生能源需求的激增，波浪能因其高能量密度和分布广泛成为研究热点。振荡水柱（OWC）作为最成熟的波能转换技术之一，在近海应用中已取得显著进展，但其离岸部署面临双通道流场复杂、涡旋耗能机制不明等挑战。传统单通道OWC的研究无法解释离岸场景下前/后壁涡旋的竞争效应，导致能量捕获效率难以突破。

为揭示这一机制，浙江大学的科研团队在《Ocean Engineering》发表了离岸OWC流场演化的创新研究。通过高分辨率粒子图像测速（PIV）技术，结合相位平均分析方法，系统考察了功率输出（PTO）阻尼、波周期（T）和波高（H）对双通道流场的影响。关键技术包括：在25米透明水槽中构建离岸OWC模型，采用主动吸收式造波机生成稳定波形；基于Ω=0.52的涡旋识别准则量化涡旋强度；整合50个以上波周期的相位平均数据确保统计可靠性。

水表面演化
研究发现波周期对水面振荡幅度具有主导影响。长周期波（T=2.5s）下，底部流道的形成显著抑制了水体进出，使水面振幅降低37%，而短周期波（T=1.2s）则通过增强前壁涡旋提升流动性。

流场模式特征
通过积分进出流体积发现，低PTO阻尼使涡旋活性提升2.3倍，同时将进出流相位差缩小至0.15π，表明阻尼调节可有效优化能量传递相位匹配。

涡旋演化机制
采用Ω方法定量显示：短周期下前壁涡旋动能占比达68%，而长周期下后壁涡旋强度提升41%。特别值得注意的是，当T>2s时，底部流道产生的剪切层会阻碍主流，形成能量耗散新路径。

结论与意义
该研究首次阐明了离岸OWC中双通道涡旋的时空竞争规律：波周期通过调制前后壁涡旋的此消彼长影响能量提取效率，而PTO阻尼则主导流场相位协调性。这一发现为设计适应不同海况的离岸OWC提供了关键参数优化方向——通过调整腔室几何形状抑制底部流道形成，可在长周期波下提升15%以上的能量捕获率。研究建立的Ω涡旋量化方法，也为其他流体机械的能耗分析提供了新范式。