可折叠波浪能转换器（Wave Energy Converter, WEC）用于无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）原位充电的多域协同仿真与耦合动力学

《Journal of Marine Science and Engineering》：Multi-Domain Co-Simulation and Coupled Dynamics of a Foldable Wave Energy Converter for In Situ UUV Recharging

　　

为解决无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）在长时任务中续航受限的问题，研究人员提出一种与UUV艇体共形集成的可折叠伸缩式振荡浮子波浪能转换器（Oscillating Buoy Wave Energy Converter, OB-WEC）。研究人员建立浮子–UUV两自由度垂荡（heave）耦合动力学模型，并基于复动力刚度（complex dynamic stiffness）与阻抗匹配（impedance-matching）理论推导参数匹配关系。研究人员构建STAR-CCM+与AMESim双向耦合协同仿真框架，在闭环中求解非线性黏性流场、相对运动与发电传动（Power Take-Off, PTO）动态响应。在基于代表渤海海况定义的正则波条件下，研究人员系统考察传动比与弹簧刚度对耦合运动及等效阻性负载功率输出的影响。在指定波况下，平均电功率随两参数均呈单峰变化，于传动比15、弹簧刚度4642 N/m时达70.8 W，对应峰值功率161.2 W。系统对传动比增大的敏感性高于减小，工程上宜取略低于理论最优的传动比。瞬时功率呈非对称双峰，表明浮子直驱发电与弹簧介导释能的主导关系发生转移。理论与协同仿真一致，为移动UUV平台WEC设计与优化提供数值方法与理论依据。

研究背景方面，无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）在海洋观测、资源勘探与国防任务中作用关键，但电池能量密度限制其远航与长时驻留。波浪能分布广、潜力大，其中振荡浮子波浪能转换器（Oscillating Buoy Wave Energy Converter, OB-WEC）因结构紧凑、效率高、易集成，适合为UUV原位充电。与传统固定或系泊WEC不同，UUV作为自由反作用体，波–浮子–发电传动（Power Take-Off, PTO）–UUV强耦合，非线性PTO阻尼为系统内力且反向作用于两体，运动改变流场边界与相对位移，再反馈至水动力载荷与能量传递。势流与Cummins方程效率高但难捕捉黏性与自由面非线性；RANS（Reynolds-Averaged Navier–Stokes）可算高精度流场却弱于PTO细节。因此研究人员开展可折叠浮子共形UUV的OB-WEC研究，由《Journal of Marine Science and Engineering》发表。

关键技术方法上，研究人员采用两自由度垂荡耦合动力学建模与复动力刚度、阻抗匹配（impedance-matching）解析推导；构建STAR-CCM+与AMESim双向耦合协同仿真，以VOF（Volume of Fluid，体积分数法追踪自由面）处理气液界面，用overset（重叠网格）支持浮子与UUV垂向运动；PTO侧以链轮、离合器、增速齿轮箱、飞轮、直流发电机与电阻负载建模，实现线性相对运动到旋转发电的双向能量转换与扭矩反馈。

1. 2.
   Design of the Foldable Float and Conformal UUV
   研究人员将可折叠浮子嵌入UUV上舱，航行时收回保持流线型，作业时充气浮出吸收波能，UUV在近波基处作反作用体；集成PTO由链轮传动、回位弹簧、双向发电机组成，收放阶段发电机可作电机回缩浮子。
2. 3.
   Theoretical Model and Numerical Methods
   研究人员建立浮子–UUV垂荡运动方程，定义有效质量、静水恢复刚度与波激力，在频域用复动力刚度矩阵描述耦合阻抗，推导平均吸收功率、最优弹簧刚度、最优PTO阻尼与最优传动比（transmission ratio）n的关系；指出系统固有频率偏离真实海浪频率，实际以同相运动为主。数值方法采用不可压黏性牛顿流体N-S方程与VOF多相模型。
3. 4.
   Establishment and Validation of the Simulation Models
   研究人员依渤海海况取波高H=0.5 m、周期T=4 s、五阶Stokes波，做网格无关性、时间步无关性与造波精度验证，选定中等网格与Δt=0.005 s级方案；PTO在AMESim中以等效增益、转动惯量、离合器、齿轮箱、飞轮、DC发电机和电阻建模；水动力–PTO协同仿真中，浮子与UUV速度传入PTO，负载扭矩反向传回，弹簧力与电磁阻尼力分别回馈。
4. 5.
   Operating Conditions and Results
   传动比研究表明，相对速度幅值随n增大单调下降，瞬时功率每半波周期出现脉冲，呈非对称双峰：低n时弹簧释能峰更高，n=15时浮子直驱峰达161.2 W且平均功率70.8 W最优，n继续增大两路径同时受抑；平均电功率随n单峰，最优区间14–16，系统对n过冲更敏感，工程取略低于理论最优。弹簧刚度研究表明，在n=15时平均功率随k单峰，k=4642 N/m最优；低刚度相位滞后与释能分散，高刚度抑制相对运动且功率脉冲化，最大平均功率不对应最大瞬时功率而是每周期净吸收能最大。

讨论与结论部分：研究人员提出可折叠伸缩OB-WEC用于UUV原位充电，建立两自由度垂荡耦合模型与STAR-CCM+–AMESim双向耦合框架，以复动力刚度推导弹簧刚度、PTO阻尼与传动比匹配条件。渤海代表波况下，传动比12到15平均功率由63.5 W增至70.8 W（增幅11.5%），15到18降至59.5 W（低15.96%），平均功率对传动比呈单峰；瞬时功率非对称双峰反映弹簧释能与浮子直驱路径再分配；n=15、k=4642 N/m为当前波况最优，理论与协同仿真互为交叉验证。因尚无物理样机试验，结果属高保真CFD–AMESim与理论模型数值互证。平均功率对传动比正偏差更敏感，工程宜取略低于理论最优的传动比。最优捕能态不取决于最大相对速度或瞬时功率，而取决于PTO反射阻抗、弹性恢复力、相对运动幅值、波激相位等协调匹配。研究局限为单一正则波与两自由度垂荡假设，尚未建含传动、发电、储能、收放能耗的全链净能模型。未来将做浮子–UUV波池与PTO台架试验，拓展不规则波与多海况、多自由度（pitch/roll）、含整流器与电池的全链能量评估，并按巡航、悬停、感知、间歇充电等任务模式评估WEC对UUV续航贡献。