抗冲刷海上风浪能转换装置的设计与分析：冲刷特性与流体动力学机制研究

推荐：研究人员针对海上风电单桩基础与振荡水柱(OWC)波能转换器(WEC)集成系统的冲刷特性与流体动力学机制开展研究，通过物理模型实验发现特定结构的OWC可使相对平衡冲刷深度降低57%，数值模拟揭示了稳态流和三维涡结构改变是抗冲刷的关键机制，为海上风浪能联合开发装置设计提供了重要依据。

　　

随着碳中和目标的推进，海上风电(OWT)与波浪能(OWC-WEC)的联合开发成为降低能源平准化成本的有效途径。然而，单桩基础面临的局部冲刷问题会削弱结构承载力，而现有研究对集成系统的冲刷特性认知存在空白。更棘手的是，重力式OWC本身可能引发新的冲刷风险，这种"既要利用波浪能又要防止冲刷"的矛盾亟待解决。

山东大学（根据基金项目U2106224及山东省自然科学基金推断）的研究团队创新性地将七种不同结构的振荡水柱(OWC)波能转换器与单桩基础集成，通过物理模型实验和数值模拟，首次系统揭示了OWC-OWT复合系统的抗冲刷机制。研究发现，当OWC开口朝前、底板长度与气室直径比为1.5、气室直径与单桩直径比为3时，相对平衡冲刷深度最低可达0.1942，较传统单桩降低57%。这项发表于《Ocean》的研究，为海上可再生能源装置的优化设计提供了双赢方案。

研究采用物理模型实验测定不同结构参数下的冲刷地形，结合Flow-3D软件模拟稳态流(steady-streaming flow)和涡结构演变。通过Keulegan-Carpenter数(KC)分析冲刷驱动机制，量化径向速度U_r和切向速度U_θ的时空分布特征，并采用涡量准则识别马蹄涡(horseshoe vortex)和尾涡(trailing vortices)的三维结构。

设计物理OWC-OWT模型

基于Pérez-Collazo等提出的原型，改变气室直径、底板长度和开口方向等参数，构建七种实验模型。其中气室直径(D_a)与单桩直径(D_m)比是关键变量，直接影响能量捕获与流场干扰范围。

实验室实验结果

含底板OWC展现出显著抗冲刷优势：当D_a/D_m=3时，最大冲刷深度降低57%。冲刷坑形态分析表明，底板通过汇聚波能、转换能量和隔离气室内复杂流动三重作用减小冲刷范围。而无底板OWC则因增大径向速度U_r变化区域而加剧冲刷。

数值模拟验证

模拟重现了稳态流对冲刷的驱动作用：OWC改变单桩近海床区域的流场分布，当KC<><>

稳态流机制

周期平均速度场显示，含底板OWC使单桩周围径向速度峰值降低28%，有效抑制"冲刷三角区"的形成。能量谱分析证实底板将13%的入射波能转化为机械能，减少作用于海床的流体动能。

研究证实OWC-OWT集成系统可通过结构优化实现"发电-抗冲刷"协同效应。含特定比例底板的OWC既能提高能量捕获效率，又能通过调控稳态流和三维涡结构保护单桩基础。该发现为海上可再生能源装置的智能化设计提供了新范式，未来可结合机器学习进一步优化结构参数。值得注意的是，研究首次量化了OWC开口方向对冲刷的影响，前向开口设计可避免尾流区涡旋叠加效应，这一发现对浮式风电基础设计同样具有参考价值。