摘要：提出一種綜合海上波浪能轉(zhuǎn)換裝置的新型浮式平臺(tái)，通過(guò)將一阻尼池型浮式平臺(tái)與OWC波浪能裝置結(jié)合，0WC氣室前墻采用固定式和擺式，前墻擺板與氣室通過(guò)鉸鏈連接?；谌S勢(shì)流理論，研究平臺(tái)在不同波浪周期、平臺(tái)吃水和氣室尺寸下氣室的俘獲寬度比，及不同鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼下擺板的俘獲寬度比。結(jié)果表明：不同平臺(tái)吃水和不同氣室尺寸通過(guò)影響平臺(tái)和氣室的共振周期影響氣室的俘獲寬度比，在較大的平臺(tái)吃水和較小的氣室前墻吃水條件下，會(huì)出現(xiàn)波浪抨擊氣室頂部和前墻露出水面的問(wèn)題；在一定波浪環(huán)境下，存在一個(gè)最優(yōu)的鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼，使得擺板的俘獲寬度比最高；在固定的鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼下，擺板的俘獲寬度比隨波浪周期增大而逐漸減小，在波浪周期較小及平臺(tái)共振周期處，擺式前墻結(jié)構(gòu)比固定式前墻的氣室俘獲寬度比更大。

關(guān)鍵詞：波浪能轉(zhuǎn)換；擺式；阻尼；振蕩水柱；俘獲寬度比

中圖分類號(hào)：P743.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

波浪能作為海洋能的一種主要類型，具有可再生、儲(chǔ)量大、清潔無(wú)污染的特點(diǎn)。目前對(duì)于波浪能的開(kāi)發(fā)利用主要為將波浪能資源轉(zhuǎn)換為其他形式便于利用的能量，如機(jī)械能、液壓能，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能。波浪能發(fā)電裝置根據(jù)其不同的發(fā)電形式，可分為如下幾類：振蕩浮子式、振蕩水柱式、擺式、收縮波道式等1]。目前對(duì)于波浪能裝置的理論和實(shí)驗(yàn)已有較長(zhǎng)時(shí)間的研究。沈勇2對(duì)浮式防波堤的月池效應(yīng)及利用月池效應(yīng)發(fā)電開(kāi)展了數(shù)值計(jì)算分析。寧德志等3研究一種受導(dǎo)樁約束的振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換器與浮式防波堤集成裝置的水動(dòng)力性能，通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。Koo[4采用一種全非線性數(shù)值波浪水池方法，對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)受限的氣室式浮式防波堤進(jìn)行時(shí)域模擬，對(duì)波浪的衰減和波浪能的吸收進(jìn)行了計(jì)算。何方等[5-71研究在常規(guī)波浪條件下，振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置非對(duì)稱氣室對(duì)浮式防波堤水動(dòng)力性能及氣室內(nèi)脈動(dòng)壓力的影響，結(jié)果表明非對(duì)稱腔室防波堤在消波效果和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方面與對(duì)稱腔室防波堤表現(xiàn)得一樣好；非對(duì)稱腔室結(jié)構(gòu)可增大兩腔室內(nèi)的振蕩氣壓幅值，還研究了浮式防波堤的垂直導(dǎo)樁支撐振蕩水柱（oscillating watercolumn，OWC）結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力性能，結(jié)果表明，與其他類型的浮式防波堤相比，結(jié)合OWC結(jié)構(gòu)的導(dǎo)樁式防波堤水動(dòng)力性能并不比其他防波堤差。Tay？通過(guò)建立數(shù)值模型研究一種多筏式波浪能轉(zhuǎn)換器與浮式防波堤集成裝置在能量產(chǎn)生方面的性能，并研究其在衰減波浪力方面的有效性。程勇等9基于全非線性邊界條件下的三維勢(shì)流理論的時(shí)域數(shù)值波浪水槽對(duì)一種月池型浮式防波堤和振蕩浮子式WEC陣列的瞬態(tài)濕體表面和自由表面進(jìn)行研究。任翔等[10提出一種帶縱搖前墻的OwC裝置，借助OpenFOAM開(kāi)源代碼平臺(tái)，研究該裝置載前墻吃水、前墻密度、后墻吃水下的水動(dòng)力性能和轉(zhuǎn)換效率。田育豐等[11通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究一種擺式波浪發(fā)電裝置的一級(jí)轉(zhuǎn)換效率，確定了擺板的動(dòng)力輸出特性和控制因素。史宏達(dá)等12通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究一種底鉸擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置在單向和雙向兩種PTO阻尼下的最大功率和俘獲效率。Zabihi等[13通過(guò)水池模型實(shí)驗(yàn)研究OwC裝置在不同入射波高、不同氣室寬度和前墻吃水下氣室內(nèi)的晃蕩現(xiàn)象和入射波反射現(xiàn)象。郭權(quán)勢(shì)等[14]基于開(kāi)源流體動(dòng)力學(xué)代碼平臺(tái)OpenFOAM，借助wave2Foam工具箱，對(duì)一種垂蕩式雙氣室OwC裝置系統(tǒng)在規(guī)則波作用下的中墻相對(duì)寬度和中墻相對(duì)吃水對(duì)裝置波浪能轉(zhuǎn)換效率的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，改變中墻相對(duì)寬度和中墻相對(duì)吃水主要通過(guò)改變氣室的共振頻率影響氣室的波浪能轉(zhuǎn)換效率，且對(duì)于該垂蕩式雙氣室OWC存在多個(gè)共振系統(tǒng)。Howe等[15通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究一種包含多個(gè)OwC裝置的π型浮式防波堤在不同OwC裝置數(shù)量和相對(duì)距離下的波浪能提取、消波性能、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方面的性能分析，結(jié)果表明，當(dāng)OWC相對(duì)距離太小時(shí)，兩者會(huì)產(chǎn)生不利于波浪能轉(zhuǎn)換的相互作用，使得OWC裝置的波浪能轉(zhuǎn)換效率大大降低。程勇等[16通過(guò)數(shù)值計(jì)算與物理實(shí)驗(yàn)對(duì)一種結(jié)合振蕩水柱和振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的防波堤系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，通過(guò)改變兩種波浪能裝置的PTO系統(tǒng)、相對(duì)距離、裝置壁厚、波浪周期等得到該裝置的波浪能轉(zhuǎn)換效率與消波效果，結(jié)果表明，與單獨(dú)的振蕩水柱和振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置相比，將兩者結(jié)合的整體系統(tǒng)具有更高的波浪轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)具有更好的消波作用。Dizon等[17]研究一種應(yīng)用于氣象浮標(biāo)的水平擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的擺錘質(zhì)量、擺板臂長(zhǎng)以及阻尼對(duì)波浪能輸出功率的影響，結(jié)果表明，擺錘質(zhì)量和擺板臂長(zhǎng)的增加有利于波浪能輸出功率的增大，對(duì)于最優(yōu)輸出功率所對(duì)應(yīng)的阻尼，則取決于擺錘質(zhì)量和海況。萬(wàn)占鴻等[18設(shè)計(jì)一種斜坡擺式波浪能裝置，通過(guò)在擺板后下方設(shè)置斜坡，增加入射波的反射效果，使得擺板盡可能吸收更多的波浪能，使得功率輸出最大化；同時(shí)該裝置具有一定“自鎖”功能，能有效應(yīng)對(duì)極端海況，使擺板在極端海況下正常工作。劉宏偉等[19]基于線性波假設(shè)，通過(guò)數(shù)值仿真和半物理實(shí)驗(yàn)研究一種數(shù)控液壓缸組對(duì)底鉸擺式波浪能裝置輸出功率的影響，該數(shù)控液壓缸組可以非線性改變PTO阻尼大小，以滿足波浪能裝置的能量提取最大化，相對(duì)于傳統(tǒng)的液壓缸，該數(shù)控液壓缸組可在更廣泛的波浪條件下具有良好的性能。

在實(shí)際應(yīng)用方面，振蕩水柱式有英國(guó)Wavegen公司的LMPET固定岸式500 kW電站，澳大利亞Uisce Beatha的500 kW離岸電站，挪威500 kW岸式電站和葡萄牙400 kW固定岸式電站等[201。振蕩浮子式有英國(guó)Aquanmarine Power公司研發(fā)的Oyster式裝置和芬蘭AW-Energy研發(fā)的WaveRoller式裝置已投入應(yīng)用[21]。國(guó)內(nèi)方面，對(duì)于OWC式裝置的實(shí)際應(yīng)用主要為海上浮標(biāo)及小型發(fā)電站，具有代表性的為中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所開(kāi)發(fā)的導(dǎo)航浮標(biāo)BD101，此后改進(jìn)得到第二代BD101，并成功商業(yè)化。在發(fā)電站方面，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所陸續(xù)開(kāi)發(fā)并建造了額定功率為8、20、100 kW的發(fā)電站[22]。在其他類型的發(fā)電裝置方面，有國(guó)家海洋技術(shù)中心開(kāi)發(fā)的襟翼式波浪發(fā)電裝置和華南理工大學(xué)研發(fā)的海上漂浮陣列裝置[23]，這兩個(gè)裝置都在2012年進(jìn)行了海試。

綜上，目前國(guó)內(nèi)外大量的研究主要針對(duì)單種發(fā)電類型的波浪能轉(zhuǎn)換裝置與浮式防波堤（平臺(tái)）結(jié)合展開(kāi)，且其中的波浪能轉(zhuǎn)換裝置主要為OwC與振蕩浮子式類型，對(duì)于擺式波浪能裝置的研究較少，對(duì)結(jié)合OWC與擺式兩種類型的波浪能裝置平臺(tái)研究較少。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有oWC和擺式波浪發(fā)電裝置的發(fā)電原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種綜合OwC與擺式波浪能裝置的新型浮式平臺(tái)，其中波浪發(fā)電裝置主要由可縱向搖擺的前墻結(jié)構(gòu)與OwC氣室組成。對(duì)于該可縱向搖擺的前墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式可隨波浪峰谷運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)氣室體積，具有引導(dǎo)和加速氣室內(nèi)氣流匯聚及釋放的能力，可提高能量的轉(zhuǎn)換效率。由于阻尼池型浮式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其中心部位形成一個(gè)天然的池型，對(duì)于投放養(yǎng)殖網(wǎng)箱具有較大優(yōu)勢(shì)，且通過(guò)在平臺(tái)上結(jié)合波浪能轉(zhuǎn)換裝置，可利用吸收的波浪能進(jìn)行飼料投放等養(yǎng)殖作業(yè)的能量供給，大大降低海上養(yǎng)殖成本。該平臺(tái)可作為海上網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝置、海上風(fēng)光浪多能互補(bǔ)平臺(tái)及海上觀光平臺(tái)使用，所提的波浪能轉(zhuǎn)換裝置可為該平臺(tái)提供清潔的電能。

本文采用勢(shì)流理論對(duì)所提出的一種綜合OwC與擺式波浪能裝置的新型浮式平臺(tái)在不同海洋環(huán)境和結(jié)構(gòu)尺寸下波浪能裝置轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析。為了驗(yàn)證本文數(shù)值方法的正確性，首先對(duì)文獻(xiàn)[24]中的物理模型進(jìn)行數(shù)值分析，并與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上對(duì)浮式平臺(tái)及擺動(dòng)前墻的情況進(jìn)行分析。

1理論基礎(chǔ)

微幅波中，一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)單位寬度波峰線長(zhǎng)度的波浪能可表示為：

式中：E？——波浪能量，J;E——波浪動(dòng)能，J;E，——波浪勢(shì)能，J;p——海水密度，kg/m3;g ——重力加速度，m/s2;H——波高，m;L——波長(zhǎng)，m。

波浪能在氣室內(nèi)轉(zhuǎn)換為空氣動(dòng)能，一個(gè)波浪周期內(nèi)出氣口空氣動(dòng)能E？[25為：

式中：pk——?dú)怏w密度，kg/m3;S ——?dú)馐页隹诿娣e，m2;T ——波浪周期，s;v——?dú)怏w速度，m/s;。

因此，可得氣室的俘獲寬度比為：

式中：W——?dú)馐覍挾?，m。

擺板吸收能量的瞬時(shí)功率[26為：

式中：B?！?fù)載阻尼系數(shù)，N·m·s/（）;M（t）——擺板繞鉸支軸的扭矩，N·m;θ（t）——擺板擺動(dòng)角速度，（°）/s。

一個(gè)波浪周期內(nèi)擺板吸收的波浪能E？為：

因此，可得擺板的俘獲寬度比為：

2數(shù)值計(jì)算設(shè)置及驗(yàn)證

由于AQWA時(shí)域計(jì)算結(jié)果中無(wú)法輸出自由水面時(shí)程曲線，而在計(jì)算OWC裝置俘獲寬度比時(shí)需使用氣室內(nèi)自由水面時(shí)程變化數(shù)據(jù)得到氣室內(nèi)空氣的體積變化，本文通過(guò)在氣室內(nèi)添加浮板，將浮板與氣室內(nèi)壁的水平相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限制，輸出浮板的時(shí)域垂向運(yùn)動(dòng)結(jié)果等效氣室內(nèi)自由水面變化，以此得到氣室內(nèi)體積變化，進(jìn)一步得到氣室的俘獲寬度比，通過(guò)設(shè)置多塊浮板，可更加準(zhǔn)確地模擬出氣室內(nèi)水面變化情況，如圖1所示。

通過(guò)建立相同尺寸和形狀的數(shù)值模型，并與Iturrioz等[24]的物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該方法計(jì)算結(jié)果的正確性。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑楣潭ㄊ絆WC裝置，頂部為矩形開(kāi)口，具體參數(shù)如表1所示，裝置如圖1b所示。

模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算采用規(guī)則波，波高H=0.08m，周期T=3.2s。本文計(jì)算數(shù)據(jù)為氣室內(nèi)浮板重心處垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)程曲線，模擬氣室內(nèi)自由水面高程結(jié)果。如圖2所示，本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Iturrioz等[24實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)相差很小，該方法能較好地模擬OwC氣室內(nèi)的波面垂直運(yùn)動(dòng)情況。

3計(jì)算模型

本文計(jì)算模型為阻尼池型浮式平臺(tái)與OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置結(jié)合的綜合平臺(tái)（圖3），保持浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸不變，研究4個(gè)不同氣室尺寸的OWC波浪能轉(zhuǎn)換裝置的俘獲寬度比。坐標(biāo)原點(diǎn)位于靜水面浮式平臺(tái)中心處，阻尼池結(jié)構(gòu)和其中1個(gè)OwC波浪能轉(zhuǎn)換裝置的尺寸參數(shù)如表2所示。

本文采用雙層阻尼板結(jié)構(gòu)調(diào)整平臺(tái)整體阻尼大小，一層位于平臺(tái)底部，另一層位于距離底部4 m處。對(duì)于OWC氣室開(kāi)孔面積比，本文不做重點(diǎn)研究，根據(jù)何方等5的研究，氣室開(kāi)孔面積比在0.67%～2.42%較為合適，如果比值太小，則腔室類似于封閉腔室，將有很大一部分波浪能用于壓縮腔室內(nèi)部的空氣；如果比值過(guò)大，則腔室類似于大開(kāi)口腔室，腔室內(nèi)部無(wú)法形成較大的壓力波動(dòng)，因此本文設(shè)置氣室開(kāi)孔面積比為1.5%。

對(duì)于不同氣室寬度比和前墻吃水，對(duì)OWC裝置的俘獲寬度比均有較大影響，本文首先通過(guò)計(jì)算幾組不同氣室尺寸和前墻吃水下OWC裝置的俘獲寬度比，選取俘獲寬度比較高的氣室尺寸，研究不同轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼下鉸接式前墻擺板的俘獲寬度比。

4固定式前墻OwC氣室俘獲寬度比分析

對(duì)于OwC波浪能轉(zhuǎn)換裝置，其前墻吃水、氣室寬度對(duì)俘獲寬度比有很大影響。根據(jù)陳靜等[27對(duì)于OWC氣室寬度、前墻吃水與一級(jí)轉(zhuǎn)換效率的研究，對(duì)于一個(gè)給定的相對(duì)氣室寬度，有一個(gè)特定的相對(duì)前墻吃水與之對(duì)應(yīng)，使得裝置波浪能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值。同樣地，對(duì)于一個(gè)給定的相對(duì)前墻吃水，也有一個(gè)特定的相對(duì)氣室寬度與之對(duì)應(yīng)。本文根據(jù)其研究結(jié)果中3對(duì)最優(yōu)相對(duì)氣室尺寸與原有設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，得出較優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸，作為后續(xù)計(jì)算尺寸，并進(jìn)行其他參數(shù)的研究。保持氣室長(zhǎng)度為18m不變，改變OWC裝置氣室前墻吃水、氣室寬度和平臺(tái)吃水，表3為各工況對(duì)應(yīng)參數(shù)。

本文采用規(guī)則波，計(jì)算波高為1.5m，浪向?yàn)檎龑?duì)氣室前墻為傳播方向，水深50m。在氣室內(nèi)波面位移的計(jì)算結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)在吃水7.5m條件下，氣室內(nèi)的自由表面最大高程超過(guò)了氣室頂部到水面的距離，如圖4所示，即在該吃水情況下，由于吃水太大，氣室水上部分高度不夠，氣室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)波浪抨擊頂部的現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)于氣室A對(duì)應(yīng)的工況，其前墻吃水為1.5m，在平臺(tái)產(chǎn)生縱搖時(shí)，前墻底部會(huì)出現(xiàn)露出水面的情況，此時(shí)OWC氣室不是一個(gè)密閉空間，無(wú)法壓縮氣室內(nèi)的空氣進(jìn)行波浪能的轉(zhuǎn)換，因此必須通過(guò)減小平臺(tái)吃水和增大前墻吃水解決這兩個(gè)問(wèn)題。

去除出現(xiàn)以上問(wèn)題的結(jié)果，圖5、圖6分別為不同尺寸氣室在各吃水下不同波浪周期以及不同吃水各氣室在不同波浪周期的氣室俘獲寬度比。

對(duì)比圖5各吃水情況下3種氣室的俘獲寬度比曲線，可看出，在不同周期波浪作用下，不同氣室尺寸的俘獲寬度比隨波浪周期有類似的變化趨勢(shì)，均存在雙峰值，其中出現(xiàn)第1個(gè)峰值的原因?yàn)樵撝芷诟浇鼮闅馐覂?nèi)水柱固有周期，波浪進(jìn)入氣室內(nèi)產(chǎn)生較大幅度的振蕩；第2個(gè)峰值出現(xiàn)在平臺(tái)共振周期處，在該周期附近的波浪作用下，平臺(tái)產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，使氣室內(nèi)水面與氣室產(chǎn)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，氣室俘獲寬度比達(dá)到峰值。

對(duì)比3種吃水情況下各氣室的俘獲寬度比曲線，發(fā)現(xiàn)氣室B在各吃水情況下相對(duì)于其他兩種氣室均有更大的俘獲寬度比。同時(shí)對(duì)比圖6中3種氣室各吃水的俘獲寬度比曲線，發(fā)現(xiàn)吃水d=6.5m時(shí)相對(duì)于其他兩種吃水有更大的俘獲寬度比。因此，綜合考慮氣室尺寸和平臺(tái)吃水對(duì)俘獲寬度比的影響，選取氣室B、C、D在吃水d=6.5m下對(duì)應(yīng)的氣室尺寸和平臺(tái)吃水作為接下來(lái)研究的參數(shù)。

5鉸接式前墻擺板俘獲寬度比分析

通常來(lái)說(shuō)，OWC氣室前墻與氣室為一個(gè)整體，前墻與氣室為固定連接，本文通過(guò)將前墻結(jié)構(gòu)以擺板形式與OwC氣室鉸接，波浪通過(guò)前墻時(shí)帶動(dòng)擺板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)在鉸接軸上連接液壓裝置或發(fā)電機(jī)可將波浪能轉(zhuǎn)換為電能，可進(jìn)一步提高對(duì)波浪能的吸收利用。

擺板吸收波浪能功率取決于擺板的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼，對(duì)于特定的擺板，其自身轉(zhuǎn)動(dòng)剛度取決于其結(jié)構(gòu)形式和布置位置，其數(shù)值大小為單位轉(zhuǎn)角時(shí)擺板重力與浮力對(duì)轉(zhuǎn)軸處力矩的差值。

本節(jié)以鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼為變量，研究B2、C2、D2工況對(duì)應(yīng)的氣室尺寸和平臺(tái)吃水下OwC波浪能轉(zhuǎn)換裝置前墻擺板和氣室開(kāi)口的俘獲寬度比，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。波浪采用規(guī)則波，波浪周期為6s，波高為1.5m。

從圖7可得，對(duì)于同一氣室，在不變的波浪條件下，改變前墻處轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼對(duì)氣室內(nèi)的俘獲寬度比影響很小。擺板在阻尼小于10000 N·m·s/（°）時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率很小，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼在10000～250000 N·m·s/（）時(shí)，俘獲寬度比隨轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼增大而增大，其俘獲寬度比甚至超過(guò)了1，原因?yàn)樵谟?jì)算俘獲寬度比時(shí)波浪能量選取的是擺板寬度的能量，而在實(shí)際情況中，可出現(xiàn)其他地方的波浪對(duì)擺板的作用，因此其俘獲寬度比是可以超過(guò)1的。在大于250000 N·m·s/（°）時(shí)迅速減小，其原因?yàn)楫?dāng)阻尼很小時(shí)，擺板吸收的波浪能無(wú)法充分轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，而當(dāng)阻尼很大時(shí)，擺板轉(zhuǎn)動(dòng)速度很小，通過(guò)波浪能轉(zhuǎn)換為擺板機(jī)械能的能量很小，因此轉(zhuǎn)換效率很低。對(duì)于不同前墻吃水的氣室擺板，擺板的俘獲寬度比隨轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼變化的影響有較大差別，氣室D對(duì)應(yīng)最大的前墻吃水的同時(shí)也具有最大的俘獲寬度比峰值，而氣室B前墻吃水最小，其俘獲寬度比峰值也最小。

綜合來(lái)看，為了保證前墻擺板有較高的俘獲寬度比，應(yīng)盡量增大前墻結(jié)構(gòu)的吃水，同時(shí)保證其轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼為一個(gè)合適的位置，不能太大也不能太小，從計(jì)算結(jié)果中選取100000 N·m·s/（°）為鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼，研究在不同周期下氣室和前墻擺板的俘獲寬度比，如圖8所示。

從圖8可得，對(duì)于OwC氣室內(nèi)氣孔的俘獲寬度比，其隨波浪周期的變化與固定前墻式結(jié)構(gòu)的OWC裝置近似，B1、B2分別為固定式前墻與鉸接式前墻的氣室開(kāi)口處俘獲寬度比，對(duì)于鉸接式前墻氣室結(jié)構(gòu)，其在周期較小和平臺(tái)共振周期處甚至比固定式前墻氣室的俘獲寬度比更大。結(jié)果說(shuō)明，前墻擺板的運(yùn)動(dòng)對(duì)氣室內(nèi)開(kāi)孔的俘獲寬度比具有有利作用，不僅能夠額外增加擺板的波浪能轉(zhuǎn)換，還能提高氣室開(kāi)口的波浪轉(zhuǎn)換。對(duì)于前墻擺板，其俘獲寬度比與波浪周期近似呈反比趨勢(shì)，隨著波浪周期的增大，擺板俘獲寬度比逐漸減小并趨于0，即擺板的擺動(dòng)速度隨波浪周期的增大逐漸趨于0，其數(shù)值大小與前墻吃水呈正相關(guān)，前墻吃水越大，擺板的俘獲寬度比越大。在周期較小時(shí)，擺板擺動(dòng)速度很快，因此計(jì)算得到的俘獲寬度比很高，然而實(shí)際中高頻率的擺動(dòng)很難將其轉(zhuǎn)換為電能。

6結(jié)論

本文通過(guò)研究一種阻尼池浮式平臺(tái)和OWC型波浪能轉(zhuǎn)換裝置綜合平臺(tái)，在固定波浪方向和波高條件下，波浪周期、氣室寬度、前墻吃水和結(jié)構(gòu)吃水對(duì)氣室俘獲寬度比均有較大影響。另外，本文通過(guò)將OWC裝置的固定前墻以擺板形式與氣室鉸接相連，研究鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼和波浪周期對(duì)擺板俘獲寬度比的影響。主要結(jié)論如下：

1）對(duì)于固定式owC氣室前墻，不同氣室寬度和前墻吃水以及平臺(tái)吃水在不同波浪周期下的俘獲寬度比有較大差別，不同的氣室寬度會(huì)導(dǎo)致俘獲寬度比出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)氣室內(nèi)的共振周期與平臺(tái)共振周期附近，一個(gè)固定的氣室寬度可對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的前墻吃水，使氣室的俘獲寬度比最優(yōu)。不同的平臺(tái)吃水通過(guò)改變平臺(tái)的共振周期來(lái)改變氣室的俘獲寬度比。

2）對(duì)于鉸接式OWC氣室前墻，前墻擺板的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與其自身結(jié)構(gòu)特性和布置形式有關(guān)，研究其轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼對(duì)俘獲寬度比的影響，可得在特定的波浪周期下，存在一個(gè)最優(yōu)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼，使得擺板的俘獲寬度比最高，阻尼較小時(shí)，擺板吸收的波浪能無(wú)法充分轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，當(dāng)阻尼很大時(shí)，擺板轉(zhuǎn)動(dòng)速度很小，通過(guò)波浪能轉(zhuǎn)換為擺板機(jī)械能的能量也很小，其數(shù)值大小與前墻吃水呈正相關(guān)，前墻吃水越大，擺板的俘獲寬度比越大。在固定的波浪周期下，前墻擺板轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼的變化對(duì)氣室內(nèi)開(kāi)口的俘獲寬度比無(wú)明顯的影響。

3）在一個(gè)合適的鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼下，研究不同波浪周期下擺板和氣室開(kāi)口的俘獲寬度比，對(duì)于氣室開(kāi)口的俘獲寬度比，相對(duì)于固定式前墻，增加前墻擺板不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不利影響；相反，在波浪周期較小時(shí)和平臺(tái)共振周期處，鉸接式前墻的氣室開(kāi)口有更大的俘獲寬度比。對(duì)于前墻擺板，可得隨波浪周期的增加，其俘獲寬度比逐漸下降，在波浪周期較小時(shí)，通過(guò)計(jì)算得出的俘獲寬度比很大，甚至超過(guò)1。對(duì)于此現(xiàn)象，主要有兩種原因，一是計(jì)算轉(zhuǎn)換效率時(shí)波浪能量選取的是擺板寬度的能量，而在實(shí)際情況中，可出現(xiàn)其他地方的波浪對(duì)擺板的作用；二是在周期較小時(shí)，擺板的擺動(dòng)幅度很小，但擺動(dòng)很快，實(shí)際情況下電能輸出很小，并不能達(dá)到計(jì)算所得波浪能轉(zhuǎn)換效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周孟然.新型浮式風(fēng)能-波浪能集成結(jié)構(gòu)風(fēng)浪耦合分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2017.

ZHOU M R.Coupled wind and wave anslysis of a newcombined floating wind turbine and wave energy convertersystem[D].Dalian：Dalian University of Technology，2017

[2]沈勇.浮式防波堤月池效應(yīng)與波浪能發(fā)電[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2020.

SHEN Y.Moon pool effect of floating breakwater and waveenergy power generation [D].Zhenjiang：JiangsuUniversity of Science and Technology，2020.

[3]NING D Z，ZHAO X L，GOTEMAN M，etal.Hydrodynamic performance of a pile-restrained WEC-typefloatingbreakwater：an experimental study[J].Renewableenergy，2016，95：531-541

[4]K00 W.Nonlinear time-domain analysis of motion-restrained pneumatic floating breakwater[J].Oceanengineering，2009，36（9/10）：723-731.

[5]HE F，HUANGZH，LAWA WK.An experimental studyof a floating breakwater with asymmetric pneumaticchambers for wave energy extraction[J].Applied energy，2013，106：222-231.

[6]HE F，HUANG Z H，LAW A W K.Hydrodynamicperformance of a rectangular floating breakwater with andwithout pneumatic chambers：an experimental study [J].Ocean engineering，2012，51：16-27.

[7]HE F，HUANG Z H.Hydrodynamic performance of pile-supported OWC-type structures as breakwaters：anexperimental study [J].Ocean engineering，2014，88：618-626.

[8]TAY Z Y.Performance and wave impact of an integratedmulti-raft wave energy converter with floating breakwaterfor tropical climate[J].Ocean engineering，2020，218：108136.

[9]CHENG Y，XI C，DAI S S，etal.Performancecharacteristics and parametric analysis of a novel multi-purpose platform combining a moonpool-type floatingbreakwater and an array of wave energy converters[J].Applied energy，2021，292：116888.

[10]任翔，鄧爭(zhēng)志，程鵬達(dá).帶縱搖前墻的新型振蕩水柱式波浪能裝置轉(zhuǎn)換效率以及水動(dòng)力性能數(shù)值研究[J].海洋工程，2021，39（5）：66-77.

REN X，DENG ZZ，CHENG P D.Numericalsimulationon the extraction efficiency and hydrodynamic performanceof an OWC device with a pitching front-wall[J].The oceanengineering，2021，39（5）：66-77.

[11]田育豐，黃焱，史慶增.擺式波浪發(fā)電裝置一級(jí)轉(zhuǎn)化效率模型試驗(yàn)研究[J].海洋工程，2012，30（3）：177-184.

TIAN Y F，HUANG Y，SHI QZ.Model test study of theprimary energy converting efficiency of pendulum wavepower device[J].The ocean engineering，2012，30（3）：177-184.

[12]史宏達(dá)，張雨晴，趙晨羽，等.底鉸擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2020，41（6）：150-155.

SHI HD，ZHANG Y Q，ZHAO CY，etal.Experimentalstudy of bottom-hinged flap-type wave energy converter[J].Acta energiaesolaris sinica，2020，41（6）：150-155.

[13]ZABIHI M，MAZAHERI S，NAMIN M M，etal.Irregularwave interaction with an offshore OWC wave energyconverter[J].0cean engineering，2021，222：108619.

[14]郭權(quán)勢(shì)，鄧爭(zhēng)志，萬(wàn)占鴻.集成于方箱防波堤的雙氣室振蕩水柱波浪能裝置轉(zhuǎn)換效率研究[J].海洋工程，2022，40（2）：106-117.

GUO QS，DENG ZZ，WAN Z H.A study on the wavepower extraction efficiency of the dual-chamber OwCconverter integrated into a rectangular breakwater[J].Theocean engineering，2022，40（2）：106-117.

[15]HOWE D，NADER JR，MACFARLANE G.Performanceanalysis of a floating breakwater integrated with multipleoscillating water column wave energy converters in regularand irregular seas[J].Applied ocean research，2020，99：102147.

[16]CHENG Y，F(xiàn)U L，DAI S S，etal.Experimentalandnumerical analysis of a hybrid WEC-breakwater systemcombining an oscillating water column and an oscillatingbuoy [J].Renewable and sustainable energy reviews，2022，169：112909.

[17]DIZON C，CAVAGNARO R J，ROBERTSON B，etal.Modular horizontal pendulum wave energy converter：exploring feasibility to power ocean observationapplications in the U.S.pacific northwest[J].IET renewablepower generation，2021，15（14）：3354-3367.

[18]WANZH，LIZ，ZHANG DH，etal.Design and researchof slope-pendulum wave energy conversion device[J].Journal of marine science and engineering，2022，10（11）：1572.

[19]LIU HW，LI Y J，LIN Y G，etal.The application of thedigital controlled hydraulic cylinders group in pendulumwave energy[J].IEEE/ASME transactions on mechatronics，2020，25（2）：673-682.

[20]胡聰，毛海英，尤再進(jìn)，等.中國(guó)海域波浪能資源分布及波浪能發(fā)電裝置適用性研究[J].海洋科學(xué)，2018，42（3）：142-148.

HU C，MAO H Y，YOU Z J，etal.Study on thedistribution of wave energy resources in China and theapplicability of wave energy generation device[J].Marinesciences，2018，42（3）：142-148.

[21]YUEH C Y，CHUANG S H.Analysis of a piston-typeporous wave energy converter[C]/The TwentiethInternational Offshore and Polar Engineering Conference.Beijing，China，2010.

[22]QIU S Q，LIU K，WANG D J，etal.Acomprehensivereview of ocean wave energy research and development inChina [J].Renewable and sustainable energy reviews，2019，113：109271.

[23]QIU SQ，YE JW，WANG D J，etal.Experimentalstudyon a pendulum wave energy converter [J].China oceanengineering，2013，27（3）：359-368

[24]ITURRIOZ A，GUANCHE R，ARMESTO J A，etal.Time-domain modeling of a fixed detached oscillatingwater column towards a floating multi-chamber device[J].Ocean engineering，2014，76：65-74.

[25]曲銘，于定勇，王世林，等.前墻結(jié)構(gòu)對(duì)OWC氣室捕能效果影響的數(shù)值研究[J].海岸工程，2020，39（2）：111-118.QU M，YU DY，WANG S L，etal.Numerical study onthe influence of front wall structure on energy captureeffect of OWC chamber[J].Coastal engineering，2020，39（2）：111-118.

[26]邱守強(qiáng)，王冬姣，葉家瑋，等.底鉸擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，47（5）：121-127.

QIU SQ，WANG D J，YE JW，etal.Experimentalstudyon bottom-hinged flap-type wave energy converter [J].Periodical of Ocean University of China，2017，47（5）：121-127.

[27]CHEN J，WEN H J，WANG YX，etal.Acorrelationstudy of optimal chamber width with the relative front walldraught of onshore OWC device[J].Energy，2021，225：120307.

STUDYON WAVE ENERGY CONVERSION PERFORMANCE FOROWC FLOATING PLATFORM WITH SWINGABLE FRONT WALL

Peng Qiuping1，Qiu Shouqiang1，Liang Fulin1，Bai Zhihui2

（1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China;

2.Sunbird Yatch Manufacturing Company，Zhuhai 519055，China）

Abstract：A new type of floating platform with integrated offshore wave energy conversion device is proposed，by integrating a dampingpool type floating platform with an OWC wave energy device，the front wallof the OWC chamber is fixed or connected to the chamber bya top hinge.Based on the three-dimensional potential flow theory，the capture width ratios of the air chamber and the pendulum frontwall under different wave periods，different platform drafts and different air chamber sizes are studied.Results show that differentplatform drafts and different chamber sizes affect the capture width ratio of the chamber by influencing the resonance periods of theplatform and the chamber，and under the condition of larger platform drafts and smaller chamber front wall drafts，the problem of waveslaming at the top of the air chamber and the front wall will occur.For a given wave environment，there exit an optimal hinge rotationaldamping，which makes the capture width ratio of the swing plate highest.For a given hinge rotational damping，the capture width ratioof the pendulum gradually decreases with increasing wave period，at lower wave periods and platform resonance periods，thependulumfront wall structure has a larger chamber capture width ratio than the fixed front wall.

Keywords：wave energy conversion;pendulums;damping;oscillating water column;capture width ratio