《Marine Structures》：Extreme loading on a fixed OWC wave energy converter: Experimental insights into survivability under focused wave conditions
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•在极端聚焦波条件下，系统评估了振荡水柱（OWC）装置的动态性能。•发现气压存在不对称性，揭示了吸载阻力是结构设计的关键约束。•在高波幅下，最大气压超过水动力压力，成为装置安全的主要威胁。•观测到水动力压力和波浪力存在高频振荡，增加了OWC结构的疲劳风险。•由于宽频谱波具有更
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在极端聚焦波条件下，系统评估了振荡水柱（OWC）装置的动态性能。
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发现气压存在不对称性，揭示了吸载阻力是结构设计的关键约束。
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在高波幅下，最大气压超过水动力压力，成为装置安全的主要威胁。
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观测到水动力压力和波浪力存在高频振荡，增加了OWC结构的疲劳风险。
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由于宽频谱波具有更强的能量集中度，研究发现其引起的结构载荷高于窄频谱波。
引言
波浪能凭借其储量丰富、分布广泛、能量密度高等优势，被全球公认为一种极具前景的海洋可再生能源。为有效利用该能源，各类波浪能转换器（WEC）应运而生。其中，振荡水柱（OWC）装置因其机械和结构简单而占据突出地位[[1], [2], [3]]。自20世纪70年代以来，OWC技术一直是波浪能研究的基石，主要研究精力集中在提高其在不同海况下的水动力性能和能量转换效率。
为实现效率提升，研究人员广泛采用数值模拟和物理实验来优化OWC构型。例如，基于水平集浸没边界方法，Zhang等人[4]研究了前壁几何形状和涡轮阻尼对规则波中水动力效率的影响。认识到线性假设的局限性，Luo等人[5]开发了完全非线性二维计算流体动力学（CFD）模型，揭示了OWC装置的水动力捕获效率随波高增加而显著下降，这与线性波浪理论的预测截然不同。Peng等人[6]引入了一种集成式浮动平台，采用摆式前壁，利用三维势流理论分析平台吃水和气室尺寸的影响。Wang等人[7]通过物理实验与非线性数值研究相结合，强调了考虑波浪非线性和粘性的必要性。Zhou等人[8]和Konispoliatis[9]的进一步研究强调了波浪陡度和装置几何形状（如环形形状）对能量吸收的影响。近期，研究已扩展到复杂的机械集成和阵列配置，如配备Savonius涡轮的OWC[10]、适用于近岸水域的"RAINBOW"紧凑阵列设计[11]以及双腔室陆基系统[12]。
为进一步提高能量转换效率并拓宽运行频率带宽，多腔室OWC装置的概念已获得广泛关注。Rezanejad等人[13]分析了阶梯式海床条件下双腔室OWC装置的性能，发现与传统单腔室OWC系统相比，该装置在宽频率范围内的效率得到显著改善。Wang等人[14]数值研究了由三个圆柱单元排列组成的OWC阵列系统的水动力性能。He等人[15]在规则波下开展了一系列波浪水槽实验，测试了双腔室浮式防波堤的波浪能提取性能，并研究了波周期、气室吃水、水深和气室布局对能量提取的影响。Elhanafi等人[16]利用CFD模型考察了海上固定式双腔室OWC装置的水动力性能。Zheng等人[17]采用线性势流理论结合本征函数展开法，研究了配备多台涡轮的多振荡水柱波浪能转换器的水动力性能。Wang和Zhang[18]设计了双腔室OWC的物理模型并开展波浪水槽实验，分析了腔室宽度、间距和相位差对性能的影响。近期，Fu等人[19]优化了陆基模块化系统，将构型扩展至五腔室设计，展示了多腔室架构的可扩展潜力。
尽管在效率方面取得了这些进展，OWC装置的结构完整性仍然是一个关键问题[[20], [21], [22]]。近年来，发生了多起海洋灾难，如极端波非线性效应导致的海洋工程结构坍塌和船只沉没。统计数据显示，1969年至1994年间，太平洋和大西洋海域共有22艘大型船舶遭遇极端波浪事故，造成500余人伤亡[23]。1995年发生的北海Draupner石油平台事件是记录在案的极端波浪事件之一，该平台被一个最大波峰高度达25.6米的极端波击中[24]。此类极端现象对WEC构成严重威胁；事实上，已有数台原型OWC装置在极端海况中受损或毁坏。1995年和2014年，底固定式近岸电站OSPREY和greenWAVE分别因灾难性的部署作业而被摧毁。此外，Pico电站的淹没式混凝土前壁遭波浪严重破坏，该结构最终在2018年的一场强风暴中坍塌[25]。
尽管这一方面至关重要，但OWC装置的生存能力直到近期才被相对忽视。Boccotti[26]和Didier等人[27]分别启动了针对U形OWC和前壁波浪力的数值研究。Ashlin等人[28]实验研究了OWC装置上的动态压力和总波浪力，发现总水平波浪力是总垂直力的2.5至3倍。Ning等人[29]通过实验和数值方法分析了气室参数和波浪条件对OWC装置波浪力的影响，发现水平波浪力随波高增加而增大。Huang等人[30]对OWC装置的波浪载荷进行了三维数值模拟，发现水平和垂直波浪力及弯矩对波周期不敏感，但随波高增加而增大。近期研究转向集成系统，如沿海防护结构中的U形OWC[31]和与抛物形防波堤耦合的OWC[32]。先进的建模技术，包括三维RANS-VOF求解器，也被用于研究由溃坝流引起的拍击冲击[33]。
虽然波浪能提供了广阔且可预测的可再生能源来源，但由于WEC在极端海况下频繁发生结构失效，其度电成本（LCOE）仍然很高[34]。因此，提高OWC装置的生存能力和运行可用率是实现大规模商业化的先决条件[35]。然而，关于OWC装置在聚焦波条件下动态响应的认知仍存在缺口，聚焦波条件能为极端"畸形"波提供稳健表征。与以往主要关注正常运行条件下能量转换效率的研究不同，本工作专门针对极端聚焦波条件下的结构安全性和载荷特性。本研究开展了一系列物理模型试验，以研究OWC装置在聚焦波条件下的动态特性。系统测量了气室内的气压、作用在结构上的水动力压力以及由此产生的水平波浪载荷。通过分析聚焦波幅与峰值载荷之间的相关性，本研究评估了OWC装置在极端海况下的动态行为。本实验所得见解可为OWC电站的结构安全设计和风险缓释策略提供有用指导。
本文其余部分组织如下。第2节描述实验方法。第3节讨论气压、水动力压力、OWC装置上的水平波浪力以及聚焦波对压力和波浪力频率带宽的特征。最后，第4节总结主要结论。
章节片段
实验方法
为深入了解固定式OWC装置的极端载荷特性，本研究在聚焦波条件下开展了一项实验研究。在本研究中，测量了气室内气压、OWC装置后壁上的水动力压力以及作用在OWC装置上的水平波浪力。聚焦波幅度和谱特征对峰值气压、水动力压力和水平波浪力的影响是
气压和水动力压力特性
本节分析了聚焦波条件下腔室内气压和作用于OWC装置的水动力压力特性。此外，还探讨了入射聚焦波幅对这些压力的影响。
结论
为弥合OWC装置能量转换效率与结构生存能力之间的差距并促进OWC技术的大规模商业化，本研究系统考察了OWC装置在聚焦波条件下的动态载荷特性。分析了不同聚焦波幅下气室内的气压、作用在OWC装置上的水动力压力以及施加在结构上的总水平波浪力
CRediT作者贡献声明
王荣光：可视化、验证、监督、项目管理、调查、资金获取、数据整理、概念化。胡宇轩：撰写–审阅与编辑，撰写–原始草稿，验证，调查，数据整理。宁德智：撰写–审阅与编辑，监督，资金获取，数据整理。Robbert Mayon：撰写–审阅与编辑，数据整理。梁东方：撰写–审阅与编辑，资金获取，数据整理。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到国家重点研发计划（编号2023YFB4204104）、国家自然科学基金（批准号52571281和W2421072）以及中央高校基本科研业务费（批准号DUT24LK006）的资助。
王荣光|胡宇轩|宁德智|Robbert Mayon|梁东方
