《Applied Ocean Research》：A lattice Boltzmann method for floating oscillating water column WECs
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本研究开发了一种分层多保真建模框架，结合了格子玻尔兹曼方法（LBM）和势流方法，用于研究二维浮式振荡水柱（OWC）波浪能转换器（WEC）。该框架基于使用匹配特征函数展开法（MEEM）的势流模型，能够进行高效的参数筛选和初步优化，然后通过粘性流LBM模拟进行细化
本研究开发了一种分层多保真建模框架，结合了格子玻尔兹曼方法（LBM）和势流方法，用于研究二维浮式振荡水柱（OWC）波浪能转换器（WEC）。该框架基于使用匹配特征函数展开法（MEEM）的势流模型，能够进行高效的参数筛选和初步优化，然后通过粘性流LBM模拟进行细化，以获得水动力效率和运动响应的更物理真实的估计。数值上，该基于LBM的建模框架采用了单相流体体积法（VOF）捕捉气-水界面，并采用插值反弹-伽利略不变动量交换法（IBB-GIMEM）处理气-水-固体相互作用。波浪生成和吸收分别通过动量源技术和完美匹配层（PML）实现。此外，考虑空气可压缩性的气动模型与该水动力模型双向耦合，以评估OWC腔室内的压力响应。与实验测量的验证确认了所提出的建模框架可靠地捕捉了水动力运动和气体动力学。该框架随后用于研究弹性约束的仅垂荡OWC WEC的功率提取性能。结果强调了这种分阶段建模策略在提供浮式OWC-波浪相互作用的计算高效且物理详细的分析方面的有效性，支持其在波浪能系统设计和优化中的应用。
**论文解读：基于格子玻尔兹曼方法的浮式振荡水柱波浪能转换器多保真建模研究**
**研究背景与问题**
振荡水柱（OWC）波浪能转换器（WEC）因其结构简单、运行原理可靠，被视为最具前景的海洋能利用技术之一。然而，现有研究主要集中于固定式OWC，而浮式OWC虽能利用更高能量密度的海域，但面临系泊系统、设备运动及气-水-结构耦合等新挑战。计算流体动力学（CFD）方法虽能模拟真实流体效应（如涡旋、强非线性），但计算成本极高，限制了其在大型或三维问题中的应用。格子玻尔兹曼方法（LBM）具有高并行可扩展性和计算效率，但尚未被用于浮式OWC研究。此外，势流模型虽计算高效但忽略粘性，无法定量预测效率。因此，研究人员旨在开发一种高效的分层多保真建模框架，结合LBM和势流方法，系统研究二维弹性约束仅垂荡浮式OWC的功率提取性能，填补该领域空白。论文发表在《Applied Ocean Research》。
**关键技术方法**
研究人员采用两阶段建模策略：首先，基于匹配特征函数展开法（MEEM）的线性势流模型进行快速参数筛选与初步优化（如最优涡轮阻尼、弹簧刚度）；随后，基于多松弛时间格子玻尔兹曼方程（MRT-LBE）的粘性流模型进行精细模拟，该模型结合单相流体体积法（VOF）捕捉自由表面，采用插值反弹-伽利略不变动量交换法（IBB-GIMEM）处理气-水-固体相互作用，并通过动量源技术生成波浪、完美匹配层（PML）吸收波浪。气动模型考虑空气可压缩性，与LBM水动力模型双向耦合以评估腔室压力响应。模型验证基于两个实验案例：固定式OWC（Iturrioz等，2015）和仅垂荡浮式箱体（Ning等，2016）。
**研究结果**
**4.1 空间与时间收敛性研究**
通过网格和时间步长依赖性测试，选取δx=C
w/80、δt=T/34000的网格分辨率，确保结果收敛。
**4.2 弹簧刚度的影响**
基于势流模型，弹性约束（K
s/(ρgB)=4）的OWC在kd=1.4和2.1处出现双峰效率，分别对应腔内流体共振和浮体垂荡共振。自由浮式（K
s=0）效率极低，而固定式（K
s=∞）仅有一个峰值。LBM模型验证了该现象，并发现弹性约束增大了有效带宽，利于实际海况。
**4.3 涡轮阻尼的影响**
LBM模拟显示，当涡轮阻尼K
t设为理论最优值c
opt时，水动力效率最高。在流体共振频率（kd=1.4）处，减小K
t（增大压力）可抑制非线性粘性效应，使效率比c
opt高5.2%；在垂荡共振频率（kd=2.1）处，增大K
t（减小压力）可提高效率0.9%。总体而言，c
opt是粘性流模型中的可行预测，偏差较小。
**4.4 入射波高的影响**
随着波高H/d从0.048增至0.144，LBM模型的无量纲压力、体积流量、垂荡幅值和效率均下降，效率峰值从0.38降至0.27。涡量场分析表明，大波高下开口处涡旋强度增加（I
ω从6.37升至71.03），有效交换流量降低（uˉ
sec/A从13.37降至11.13），且腔室压力出现周期性波动。傅里叶变换（FFT）显示二阶谐波分量增大，表明波能向高频转移，减少了有用功率。
**4.5 计算效率**
与OpenFOAM对比，在相同网格和条件下，LBM模型在波浪传播案例中加速比约4.2倍，在固定OWC案例中加速比约4.6倍。并行扩展性测试表明，LBM在1024核时仍保持90%以上并行效率，而浮式OWC案例因额外流固耦合处理计算成本更高。
**结论与讨论**
研究总结证实，线性势流模型能有效识别最优参数（涡轮阻尼、弹簧刚度、共振频率区间），而LBM考虑粘性和非线性后提供更可靠的水动力效率预测。仅垂荡OWC可视为两自由度质量-阻尼-刚度系统，两个共振频率（腔内流体共振和浮体垂荡共振）相互作用塑造频率响应。随着波高增大，湍流耗散增强，能量向二阶谐波转移，降低效率，此时需适当调整涡轮阻尼（流体共振区减小K
t，垂荡共振区增大K
t）以缓解不利影响。研究人员开发的二维LBM-CFD框架有效捕捉了系统关键水动力特性，具有高计算效率和优异并行扩展性，为OWC波能转换器设计优化提供新工具。但需注意，该框架限于二维、单相处理及简化弹性约束，未来需扩展到三维、考虑空气相细节及真实系泊系统。
