【摘 要】
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摆式波浪能转换装置（OWSC）是一种具有较高转换效率、简单几何结构、方便快捷日常维护的近岸波浪能装置,其已成为波浪能利用的焦点。然而,受限于单个装置的物理尺寸以及高昂的建造成本严重阻碍了高效波浪能装置的大规模应用。为降低发电成本和更高效地开发近岸海洋能源,对摆式波浪能装置阵列应用和研究阵列系统的水动力特性对进一步开发波浪能资源意义重大。同时,超大型浮体（VLFS）是开发海洋空间的不二选择,但浮体在
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摆式波浪能转换装置（OWSC）是一种具有较高转换效率、简单几何结构、方便快捷日常维护的近岸波浪能装置,其已成为波浪能利用的焦点。然而,受限于单个装置的物理尺寸以及高昂的建造成本严重阻碍了高效波浪能装置的大规模应用。为降低发电成本和更高效地开发近岸海洋能源,对摆式波浪能装置阵列应用和研究阵列系统的水动力特性对进一步开发波浪能资源意义重大。同时,超大型浮体（VLFS）是开发海洋空间的不二选择,但浮体在非线性波浪的载荷下表现为柔性,其垂向位移与刚体位移为同一量级具有明显的非线性特征。因此为改良浮体的水弹性响应,安装适用范围广、对环境无影响、结构简单的减振系统具有极大的现实意义。OWSC通过转换波浪能耗散入射波能量,使作用在VLFS上的波浪力减小起到了保护作用,因此,将OWSC作为减振装置与超大型浮体进行集成应用,即能为VLFS提供能源也能改进浮体的水弹性响应。鉴于OWSC-VLFS集成系统可以实现海洋工程的成本共摊和空间共享,因此为波浪能的商业化提供了第二种途径。本文首先基于势流理论,使用完全非线性边界条件下的高阶边界元法,建立了波浪与阵列OWSC三维相互作用模型。将边值问题利用格林公式转换为解耦边界问题,采用辅助函数法在伯努利方程的基础上求解得出阵列波能板在5阶Stokes波浪作用下的运动方程。数值处理选择四阶龙格-库塔法更新下一时间步内自由表面,为保证数值模拟的准确性,在远方控制面设置阻尼消波区域防止控制面的反射波对物体运动造成干扰。采用时域方法,推导了线性条件下装置的能量俘获以及入射波能量表达式,给出了阵列摆板水动力交互作用因子q的定义。通过与已发表的的实验数据进行比对,验证了本文所建立的数值模型对阵列OWSC水动力相互作用模拟的准确性,并由此开展对阵列系统的参数化研究。其次,以一组两个OWSC组成前后式阵列布局为研究对象,应用所建立数值模型,分析了该阵列系统的多体相互作用、波高、间距、PTO系数对装置水动力特性和发电性能的影响。结果表明,阵列系统间隙中的流体共振增强了前置OWSC转换波浪能的能力,由于前置OWSC造成的遮蔽效应,后置OWSC的俘获效率低于开放水域内单个摆式波能装置的俘获效率。强非线性的入射波,不利于系统俘获波浪能。然后通过对两个OWSC重新组合得到交错式和并列式两种阵列布局,对比浪向对不同阵列布局下的水动力性能后发现,由于垂直于波能板宽度的有效波长的减少,所有阵列布局的总波能提取量都随着入射波角度的增加而减少。最后,基于时域下粘性CFD理论,耦合FEM方法建立了OWSC和超大型浮体（VLFS）的集成系统。给出了VLFS结构响应的计算方法,基于CFD-FEM双向耦合的原理与方法,在三维数值水槽中建立了5阶Stokes与OWSC-VLFS相互作用的数值模型。然后对该模型进行了网格尺寸和时间步长的收敛性验证,并对薄板水弹性响应进行了准确性验证。并进一步研究了波高和OWSC长度对集成系统的水动力性能和减振特性得影响。研究结果表明,波能板的水下深度增加,其俘获效率增加,浮体的垂向位移减小。入射波幅越大,浮板沿水平中线处垂向位移越小,即该集成系统中的OWSC可同时兼具波能利用功能和减振装置功能
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