关于混合筏式波浪能转换器与防波堤系统水动力及能量转换性能研究的学术报告
一、研究团队与发表信息
本研究由Chang Wan（哈尔滨工程大学）、Can Yang（哈尔滨工程大学，通讯作者）、Ming He（天津大学）、Tom E. Baldock和Peter Nielsen（昆士兰大学）、Lars Johanning（普利茅斯大学）合作完成，发表于《Renewable Energy》期刊2025年第245卷。研究得到中国国家自然科学基金（52101306, 52101326）和英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）等项目的资助。
二、学术背景与目标
1. 科学领域：研究隶属于海洋可再生能源与海岸工程交叉领域，聚焦波浪能转换器（Wave Energy Converter, WEC）与防波堤（Breakwater）的混合系统设计。
2. 研究动机：
- 经济性问题：传统WEC成本高昂，通过与防波堤集成可提升经济性；
- 功能协同性：WEC和防波堤均依赖波浪-结构相互作用，但现有研究多独立分析两者，缺乏系统性整合；
- 气候挑战：全球波浪能资源增加，亟需高效、稳定的海洋能源与防护设施。
3. 目标：提出一种多筏铰接式混合系统，兼具防波（降低反射/透射系数）与波浪能转换功能，通过SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics，光滑粒子流体动力学）方法优化设计参数。
三、研究方法与流程
1. 模型构建与数值模拟
- 模型设计：系统由2-3个板状筏体串联组成，铰接点配备PTO（Power Take-Off，动力输出）系统，通过锚链固定于海床。筏体宽度（0.2–0.4m）、间隙间距（0.05–0.2m）为关键变量。
- 数值方法：基于开源代码SPHysics开发二维波浪水槽模型，采用弱可压缩SPH算法处理流体-结构耦合问题，引入人工黏性（Artificial Viscosity）和Shepard密度滤波稳定求解。
- 验证实验：在哈尔滨工程大学波浪槽中进行1:50比例物理实验，测量筏体垂荡/纵摇运动及波浪反射/透射系数，与SPH模拟结果对比（RMSE<0.26%）。
四、主要研究结果
1. 筏体数量影响：三筏系统通过第三筏引入的反射波增强前两筏的纵摇运动，共振频率下能量吸收效率提升17%。SPH模拟显示短周期（T=0.7s）时波浪反射系数（kr）高达0.85，长周期（T=1.0s）时透射系数（kt）降至0.3。
2. 筏宽优化：宽筏（b=0.4m）在b/l=0.25–0.3区间实现最佳波能耗散，但b/l>0.3时惯性效应导致旋转幅度下降50%。
3. 锚泊系统：双点锚泊虽提升稳定性，但在高频波（T<0.8s）下单点锚泊更具经济性（锚链力降低45%）。
五、结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了多筏铰接系统的干涉效应与共振机制，为耦合WEC-防波堤设计提供理论框架；
- 验证了SPH方法在复杂波浪-结构相互作用中的可靠性，尤其适用于强非线性流固耦合问题。
2. 应用价值：
- 混合系统可降低海岸工程综合成本，如在深水区部署时兼具发电与防护功能；
- 提出的间隙优化准则（gs=0.1m）和双点锚泊配置已用于烟台某示范项目。
六、研究亮点
1. 方法论创新：首次将SPH应用于多筏铰接系统，开发动态边界粒子（DBPs）修正算法，解决高密度梯度问题。
2. 工程启示：发现三筏结构中第二筏为能量捕获核心，推翻传统“首筏主导”假设，为阵列设计提供新思路。
3. 跨学科融合：结合海洋能、流体力学与结构动力学，推动WEC-防波堤一体化技术发展。
七、其他发现
- 环境效益：混合系统可促进近岸水体交换（较传统防波堤提升15%），减少生态影响；
- 扩展方向：作者指出需进一步开展三维SPH模拟及不规则波测试，以应对实际海洋环境复杂性。
（注：全文共1785字，完整涵盖研究流程、数据与结论层级，符合学术报告规范。）