用于长波衰减和发电的背风进水口振荡水翼（LI-OWC）装置的水动力性能

《Renewable Energy》：Hydrodynamic Performance of a Leeward Inlet OWC (LI-OWC) device for Long-Wave Attenuation and Power Generation

提出离岸防波堤与波浪能捕获结合的LI-OWC结构，通过CFD模拟分析或ifice ratio、inlet width等参数对波衰减（传输系数）和能量捕获效率的影响，发现其长周期波衰减性能优于传统C-桩结构，且在四单元阵列中平均总捕获宽度达0.57。

　　随着全球对可持续海岸保护和可再生能源需求的不断增加，将波浪消能与发电功能整合于单一结构之中，已成为多功能海洋基础设施发展的一个重要方向。传统的振荡水柱（Oscillating Water Column, OWC）技术主要专注于能量提取，其设计并未充分考虑波浪消能的效果，尤其是在长波条件下。为了解决这一问题，本研究提出了一种新型的迎风口振荡水柱（Leeward Inlet OWC, LI-OWC），该设计通过将能量提取系统嵌入C型桩防波堤结构中，实现了波浪消能与发电的双重功能。研究通过系统的数值模拟，探讨了孔口比、入口宽度、入口角度和淹没深度等关键参数对LI-OWC水动力性能的影响。结果显示，在不同孔口比条件下，波浪消能表现出两种不同的运行模式，其中在孔口比约为5.97时，出现明显的转变。在短周期波浪范围内，消能主要由水室内的水位振幅决定；而在长周期波浪范围内，消能则取决于入口后局部水位与入射波浪波峰和波谷之间的相位差。在这一运行模式下，LI-OWC相较于传统的C型桩结构表现出更优的消能性能，原因在于其可以通过孔口调节内部水流。与传统的圆柱形OWC相比，LI-OWC在长周期波浪消能方面实现了显著提升，但同时在能量转换效率方面存在一定的折中。此外，当LI-OWC以四单元分级阵列形式部署时，能够实现宽频波浪消能和较高的能量捕获能力，其平均总捕获宽度比可达到0.57。这些发现突显了LI-OWC作为兼具海岸防护和长周期波浪能捕获的双重功能装置的潜力。

全球约有40%的人口居住在离海岸线100公里的范围内，然而，海洋可再生能源的实际利用仍然有限，仅占全球能源结构的不到1%。根据国际能源署的预测，到2040年，海上风电可能满足全球电力需求的11%，这得益于技术进步和有利的政策环境。相比之下，波浪能作为一种更为丰富但尚未充分利用的资源，理论上可满足全球电力需求的15%至66%。尽管波浪能具有巨大的潜力，但高效波浪能提取技术的开发仍面临显著的技术和经济挑战。近年来，学术界对波浪能转换器（Wave Energy Converters, WECs）的关注日益增加，相关研究论文数量在2023年相较于2010年增长了三倍。

在众多WEC技术中，振荡水柱（OWC）被认为是极具前景的一种。OWC由一个部分淹没于海面的空气腔室、入口以及由涡轮驱动的能量提取系统组成，其中涡轮转子是唯一的活动部件。这种设计的简洁性以及没有水下活动部件的特点，使其在科研和工程应用中尤为受欢迎。OWC技术已经在多个海洋能源项目中得到应用，例如1999年在葡萄牙皮科岛建造的皮科OWC波浪发电站，该站不仅是重要的能源设施，还被用作研究和培训平台。然而，该原型在一次强烈的海洋风暴中遭受了严重的结构损坏，这一实际运行经验揭示了OWC技术在实际应用中面临的一些挑战，包括相对较低的能量转换效率和较高的建设和维护成本，这些问题在固定式OWC中尤为突出。为了解决成本相关的问题，研究人员提出了将OWC与现有海岸和近海基础设施相结合的方案，如码头、海岸护坡、防波堤和海上风力发电基础等。这种混合方法有望降低投资和运营成本，从而提高OWC系统的经济可行性。

大量研究致力于优化OWC在不同结构配置中的整合方式。例如，Gang等人利用线性势流理论，研究了嵌入于海岸结构和防波堤中的圆柱形双腔室OWC，其结果显示，这种整合方式可以显著提升整体水动力效率，无论是在规则波浪还是不规则波浪条件下。Ashlin等人则通过物理模型试验研究了嵌入于海上碎石防波堤中的五个OWC单元，而Wang等人则进行了数值模拟，研究了五个相同矩形OWC嵌入于垂直防波堤中的情况。研究发现，侧边单元的能量捕获效率最高，而中央单元的表现最差。Didier和Teixeira对三种不同的垂直防波堤结构中集成的OWC进行了数值评估，发现一种新型的垂直墙结构显著提升了OWC阵列的整体性能。鉴于沿海区域的空间限制，近年来的研究越来越强调沿海岸线布置多个OWC腔室，以最大化波浪能的利用，包括横向和纵向的布置方式。

除了海岸基础设施，OWC还被研究应用于海上风电场。例如，Perez-Collazo等人通过物理实验，将OWC嵌入于海上风力发电基础的外侧，以开发一种混合风能与波浪能转换系统。实验结果显示，OWC性能在孔口比为0.5%时达到最佳，随后为1.0%。Zhou等人则对嵌入于浮动海上风电平台的OWC进行了物理模型试验和数值模拟，其研究指出，孔口比为3.0%时，捕获宽度比达到最大值。这些研究为OWC在不同应用场景中的优化提供了重要参考。

近年来，研究者开始探索将声学中的亥姆霍兹共振器设计原理引入防波堤和OWC系统中，以实现局部共振效应。亥姆霍兹共振器通常由一个腔室和连接外部环境的狭窄颈部或入口组成，当流体进入或离开腔室时，腔室内的空气质量会在特定频率下产生共振。与传统的共振腔室相比，亥姆霍兹共振器具有更狭窄的入口，这使得其设计更为紧凑，同时减少了腔室体积。此外，这些系统在共振行为上对入口方向的敏感度较低。更重要的是，一些研究表明，采用亥姆霍兹型结构的OWC可以有效地从长周期波浪中提取波浪能。尽管此类结构提升了能量转换性能，但其在波浪消能方面的效果尚未得到充分研究。目前的研究主要集中在能量捕获方面，对能量提取与波浪消能之间的潜在权衡关注有限。鉴于对综合海岸保护和可再生能源解决方案日益增长的需求，需要系统性地研究开发能够优化两者功能的OWC装置。

本研究基于Xu等人和Peng等人提出的C型桩防波堤阵列概念，提出了一种新型的LI-OWC装置。该设计结合了阵列诱导的布拉格共振和由空心圆柱结构迎风入口产生的局部共振效应，从而有效地消减宽频长周期波浪。在本研究中，通过将能量提取系统（Power Take-Off, PTO）嵌入C型桩结构中，LI-OWC被设计为兼具波浪消能和能量提取的双重功能。研究采用系统的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法，探讨了孔口比、入口宽度、入口角度和淹没深度等关键参数对波浪透射系数和捕获宽度比的影响。同时，研究将LI-OWC的性能与文献中报道的传统的圆柱形OWC和C型桩防波堤进行了对比，展示了其在波浪消能和能量生成方面的增强能力。

本研究的其余部分结构如下：第二部分介绍了数值方法、模型配置和数据处理方法；第三部分描述了网格收敛性分析和模型验证；第四部分探讨了关键结构参数对能量转换和波浪消能的影响；第五部分对提出的结构与现有结构进行了比较；第六部分总结了主要研究发现。

在本研究中，采用开源的计算流体动力学（CFD）软件OpenFOAM进行流体动力学模拟。OpenFOAM是一个用C++开发的平台，适用于基于Linux的操作系统，其通过有限体积法（Finite Volume Method, FVM）求解不可压缩的纳维-斯托克斯方程。为了模拟不可压缩条件下的多相流，研究使用了OpenFOAM-2206版本中的interFoam求解器。该求解器专门用于处理复杂的流体界面，具有较高的计算效率和准确性。通过这种方式，研究能够全面评估LI-OWC在不同参数设置下的水动力性能。

在进行CFD模拟之前，研究进行了网格敏感性分析，以确保计算的准确性并优化模拟效率。参考Elhanafi等人、Shalby等人和Mayon等人关于波浪-OWC相互作用的网格细化策略，研究在特定条件下测试了三种不同的网格分辨率。这些条件包括孔口比为1.5%，入口宽度为0.11，入口角度为0.00，淹没深度为0.20，以及周期为1.2秒。通过这一分析，研究能够确定合适的网格设置，以平衡计算精度和资源消耗。

研究进一步探讨了孔口比对捕获宽度比和透射系数的影响。与传统的C型桩防波堤相比，OWC设备具有能量提取系统，该系统在本模型中通过孔口来表示。在特定条件下，研究分析了孔口比变化对捕获宽度比和透射系数的影响。结果显示，在孔口比为0.14、入口宽度为0.00和入口角度为0.08的情况下，不同周期的捕获宽度比和水室水位振荡系数的变化趋势如图12（a）和（b）所示。图12（a）显示，所有测试的参数在不同周期下的表现均有所差异，表明孔口比对系统性能具有重要影响。

研究还比较了提出的LI-OWC与传统圆柱形OWC设计在不同淹没深度下的性能。结果显示，随着淹没深度的增加，共振周期向右移动，同时捕获宽度比、水室振荡系数和波浪消能性能均有所下降。这一发现与以往的研究结果一致。此外，不同淹没深度下的孔口比值范围在0.36至0.43之间，表明在优化波浪消能和能量捕获之间存在一定的权衡。

综上所述，本研究提出了一种新型的振荡水柱（OWC）装置——迎风口OWC（LI-OWC），基于C型桩防波堤的结构概念。通过将能量提取系统（PTO）嵌入其中，LI-OWC被设计为兼具波浪消能和能量提取的双重功能，特别是在长周期波浪条件下。研究通过系统的CFD方法，探讨了关键结构参数对系统性能的影响，并与传统圆柱形OWC和C型桩防波堤进行了比较，展示了其在波浪消能和能量捕获方面的增强能力。这些研究结果为未来开发能够兼顾海岸防护和可再生能源利用的多功能海洋基础设施提供了重要的理论基础和实践指导。