基于Riemann-SPH方法的多频聚焦异常波作用下越浪式波浪能转化装置（OWSC）非线性相互作用与能量捕获的数值研究

《Scientific Reports》：Numerical study of the nonlinear interaction and energy capture of an OWSC under multi-frequency focused freak waves using Riemann-SPH

　　

摘要

为解决振荡波涌能收集装置（OWSCs）在极端海况下的存活性与能量捕获效率问题，本研究开发了一种将基于黎曼求解器的弱可压缩光滑粒子流体动力学（Riemann-based WCSPH）与多体动力学耦合的高保真数值模型。该模型被用于系统研究多频聚焦畸形波与OWSC之间的非线性相互作用机理。数值模拟基于线性理论谱重现了目标多频聚焦波，模拟波峰与一阶目标之间的偏差在0.09%以内。然而，由于一阶造浪边界的固有局限性，该模型低估了Baldock物理实验中观测到的极端非线性波峰增幅，尽管它能较好地捕捉到整体相位同步和波包包络。结果表明，在畸形波冲击下，OWSC的动力响应表现出显著的"速度主导"特征：虽然纵摇角响应呈现位移饱和现象，但瞬时角速度相较于规则波工况激增71%，使机械系统承受巨大的瞬时功率流冲击。此外，揭示了功率提取系统（PTO）阻尼对流场的反向调节机理。研究发现，高阻尼会引发显著的"流体阻塞效应"，将板体的波浪致动力转化为升高的准静态压力积聚，从而恶化结构载荷环境。参数分析表明，捕获宽度比随阻尼系数呈单峰趋势变化。识别出一个近似最优阻尼系数（\(C_{pto} \approx 60~\mathrm {N \cdot m \cdot s/rad}\)），在该阻尼下捕获宽度比达到最大值，代表了水动力学与机械系统之间有利阻抗匹配点；然而，该阻尼水平也对应着相较于轻阻尼基准工况大幅放大的峰值结构载荷，因此所识别的条件反映的是能量捕获与结构载荷之间的折衷，而非两者的同时最优。