能源是人类赖以生存和发展的物质基础,社会的每一次重大变革与进步都离不开能源革命的推动。然而随着经济的发展,能源需求不断增长。传统化石能源的过度开采和使用不仅带来能源短缺问题,还带来不断恶化的环境污染问题。开发清洁的可再生的能源成为当今能源结构转型的核心。波浪能因分布广泛、蕴藏量大、能流密度大、易于开发而为人们所关注,迄今为止有数千种波浪能技术提出,但是尚未实现商业化。究其原因,主要是波浪能转换效率低下导致发电成本居高不下,成为制约商业化的瓶颈。共振能提高波浪能转换效率已经成为研究者的普遍共识,基于此,武汉大学蔡元奇教授提出了主动共振C式浮力摆波浪能发电技术,衍生了三种技术方案,其中的一个方案是依据入射波势函数的最大梯度方向的平均值设计迎波面,采用最小辐射优化设计背波面。本文对该方案的主动共振C式浮力摆波浪能装置(以下简称C装置)展开了数值仿真研究。论文通过Z变换推导了用于造波和消波的动量源项函数,构建了能够造二阶Stokes波、基于Jonswap波浪谱和基于白噪声波浪谱的不规则波的数值波浪水槽。数值仿真表明该数值波浪水槽数值稳定、准确,且消波效果好。论文建立了C装置在波浪场中的运动方程和动力控制方程,导出了控制波浪能系统自振频率的数学模型,提出了C装置自振周期调节方法,并通过数值仿真验证了自振频率控制模型的正确性,从而可实时实现与波浪共振。论文通过Newmark积分法和Newton迭代法以及Fluent UDF在Fluent软件平台上实现了C装置运动方程的求解,并结合数值波浪水槽技术形成了波浪场-C装置数值仿真平台。利用该平台,研究了周期为3.0s~7.0s、波高为0.1m~0.8m的二阶Stokes波浪场中C装置处于共振和非共振状态的响应及其捕能效率。研究表明:尽管利用共振实现高效波浪能转换,但波浪能转换效率仍存在最优波浪周期;捕能功率与波高成正比,但捕能效率与波高成反比;在研究的波浪范围内其最高效率为62.25%,最低效率为5.25%。论文中研究的C装置在3.0s~4.0s周期内捕能能力最好。C装置自振周期调至4.0s,在Jonswap波浪谱的不规则波中捕能效率为24.9%,在白噪声波浪谱的不规则波中捕能效率为9.8%。效率不高的原因主要是不规则波在数值波浪水槽中数值耗散性较大。论文采用线性搜索法对C装置最优PTO阻尼进行了研究,发现:C装置小幅运动时,PTO最优阻尼与线性系统导出的最优PTO阻尼一致;在大幅运动时,线性系统导出的最优PTO阻尼不是PTO的最优阻尼,系统表现出较强的非线性特性。在大振幅时,最优PTO阻尼的捕能功率较采用线性系统导出的最优PTO阻尼的捕能功率有较大的提高,以周期为6.5s、波高为0.8m波况为例,功率提高约有48.33%。因此,对于大周期大波高的波况,需进一步研究最优PTO阻尼。论文提出了一个矩形方波控制PTO阻尼的方法,数值仿真表明采用该方法可以提高C装置的捕能效率,但重要的是可以保证发电机组在最优转速下发电,提高了发电机的效率。为了提高C装置生存能力及全截面捕能,C装置工作时没于水下。论文探讨了周期为3.0s~7.0s、波高为0.8m波况下浸没深度对C装置响应及捕能效率的影响,发现:浸没深度过大,装置顶部的波能泄露过大,捕能功率会减小;浸没深度过小,会引起波浪翻卷、破碎、涡旋等能量耗散,捕能功率会大幅减小。通过线性搜索法搜索了C装置在不同浸没深度下的最优PTO阻尼,找到了最优浸没深度和最优PTO阻尼,发现浸没深度不会改变C装置在同一个波浪场中的最优PTO阻尼,但是会改变C装置的捕能功率。因此合理设置浸没深度对提升C装置的捕能能力是非常重要的。