基于共振沉箱结构的波浪能转换器水动力特性与发电性能优化研究

针对传统波浪能转换器(WEC)在低能密度海域效率低下的问题，研究人员开展共振沉箱波浪能转换器(RC-WEC)的多因素耦合优化研究。通过衍射-辐射理论和边界元法(BEM)分析，发现共振沉箱可使浮子垂荡响应幅值(RAO)显著提升，135°入射角时捕获宽度提升78-94%，为主动共振式WEC工程应用提供理论支撑。

　　

随着全球能源结构转型加速，波浪能因其分布广、无污染特性成为可再生能源研究热点。然而，传统波浪能转换器(WEC)面临两大技术瓶颈：一是波浪能时空分布不均导致低能密度海域效率骤减，二是被动吸波模式缺乏主动调控能力。现有共振型WEC如防波堤集成系统虽能提升效率至77.4%，但存在机械结构复杂、抗浪性差等工程适用性问题。广东海洋大学研究团队受港口共振现象启发，创新性提出共振沉箱波浪能转换器(RC-WEC)，通过主动诱导流场共振突破传统技术局限。

研究采用衍射-辐射理论(Diffraction-radiation theory)和边界元法(BEM)构建数值模型，通过ANSYS-AQWA软件验证浮子水动力参数准确性。重点考察沉箱开口度、波浪入射角与浮子几何参数的耦合效应，采用捕获宽度谱(Capture width spectrum)量化性能提升。样本数据来源于四组已验证的圆柱形浮子(r=5m，h=5m)的RAO对比实验。

结果与讨论
浮子几何参数影响：共振沉箱通过封闭几何结构降低能量耗散率，使浮子与流场能量交互频率提升3.2倍。当浮子半径增大至7.5m时，附加质量(Added mass)增幅达215%，辐射阻尼(Radiation damping)峰值频率向低频偏移0.12Hz。

沉箱调控机制：30°开口度使捕获宽度谱峰提升1.8倍，但有效带宽收窄42%。135°入射角下捕获宽度呈现不对称分布特征，较独立浮子提升94%，证实沉箱可定向优化多向波能量捕获。

协同效应验证：流场共振使浮子垂荡响应幅值(Heave RAO)最大提升2.3倍，能量转换效率在0.8-1.2Hz频带内持续高于独立浮子体系。数值模拟显示沉箱内波高放大系数达3.7，形成局部高能密度区。

结论
该研究首次建立RC-WEC多参数耦合优化框架，揭示沉箱开口度-入射角-浮子参数的协同作用规律：①较小开口度(20-30°)可提升窄带效率但需权衡带宽损失；②非对称捕获宽度分布为阵列布置提供135°黄金布局角度；③浮子半径增大至7.5m时系统共振频率匹配度最佳。工程应用表明，RC-WEC将传统被动吸波模式转变为主动共振开发，为海岸集成式WEC系统提供可靠解决方案，相关成果发表于《Ocean Engineering》。