二维粘性波浪水槽中波能转换器阵列布拉格共振反射的数值研究及其能量捕获优化

针对布拉格共振反射导致波能转换器(WEC)阵列能量提取效率降低的问题，研究人员通过建立准二维粘性数值波浪水槽(NWT)，采用计算流体动力学(CFD)方法模拟三浮体线性阵列的非线性波浪相互作用。研究发现共振时功率最高降低53.1%，揭示了相位偏移与功率输出(PTO)的关联性，为浮动防波堤设计和WEC阵列优化提供了理论依据。

　　

波浪能因其清洁、可再生和分布广泛等优势成为海洋能源开发的重点，但波能转换器(WEC)阵列的周期性排列会引发布拉格共振反射现象，导致能量捕获效率显著下降。这一现象最初由Bragg父子在晶体衍射研究中发现，后被Heathershaw(1982)证实存在于波浪与周期性结构的相互作用中。传统研究多基于线性势流理论或边界元法，忽略了流体粘性和非线性效应的影响。为此，山东大学等机构的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，通过建立二维粘性数值波浪水槽，首次系统研究了固定、自由垂荡和能量提取三种状态下WEC阵列的布拉格共振特性。

研究采用STAR-CCM+软件构建有限体积求解器，运用VOF(Volume of Fluid)方法捕捉自由表面，并采用SST k-ω湍流模型处理湍流效应。通过收敛性分析和模型验证后，重点考察了2S/L(结构间距与波长比)在0.6-1.4区间的波浪传播特性。

固定阵列的布拉格共振反射
当2S/L=1.2时出现典型布拉格共振峰，反射系数达0.4913，伴随相位上移现象。波浪场分析显示共振时第一与第三浮体间形成驻波节点，中间浮体处于波腹位置，导致三者受力幅值呈现"高低高"分布特征。

运动阵列的响应特性
自由垂荡状态下共振点前移至2S/L=0.9并出现相位下移，浮体运动幅值在共振频率处突降42.7%。能量提取工况中，共振时阵列总功率降低53.1%，第一与第三浮体同相运动而中间浮体反相，且PTO阻尼越大共振负面影响越显著。

该研究首次在粘性流框架下揭示了运动浮体阵列的相位反转机制，证实PTO系统会加剧共振效应。成果不仅为浮动防波堤设计提供参数优化依据，更开创了CFD方法研究WEC阵列水动力性能的新途径。作者建议后续研究应结合三维模型和实际海况数据，进一步验证结论的工程适用性。