在可变相对开口下垂直淹没板式波浪能转换器水动力性能的计算研究

为何波浪能能为未来供能

海洋波浪携带大量清洁能量，但大多数尝试收集该能量的装置往往复杂且成本高昂。本研究考察了一个出人意料的简单想法：一块隐藏在海面下的薄垂直板，通过重塑水流使其更高效地驱动涡轮。研究者通过探讨波浪与该板及其下方成形海底的相互作用，探索了从每一波浪中提取更多能量的新途径。

波浪下方的隐藏板

本研究核心装置是一块固定的淹没薄垂直板，置于水面下方不远处。来波遇到该板时部分被反射，部分被迫在板与海底之间的开口处加速通过。在下游，这股加速流可驱动轴向涡轮，原理类似于小型水下风车。关键的设计问题是该开口应有多大，以及板下的海底形状如何影响进入快速流动的可用能量量。

构建数字波浪水槽

研究团队并未在海上试验，而是使用 ANSYS Fluent 软件构建了详细的计算波槽模型。他们模拟了上下两层流体——上层空气与下层水，并在水槽一端产生逼真的波浪，同时在另一端吸收波浪以避免不希望的反射。在这个数值水槽中，他们放置了淹没板，有时位于平坦海底之上，有时位于在板下形成狭窄通道的梯形隆起海底之上。通过跟踪水面形状和板周围的流速，他们能够估算出多少入射波能被转换为可供涡轮使用的流动能。

测试不同开口与海底

研究者变化了两个主要因素：板下开口的高度（称为相对开口）以及波浪的强度，通过波高和周期来表征。他们还通过改变板下梯形结构的高度来比较平坦和不平整海底。模拟结果显示，当波浪与成形海底相互作用时，水流会在板下被汇集并加速，形成强烈的喷射与旋涡结构，携带更多动能。在平坦海底上这种效应要弱得多，流场更均匀且能量较低。

寻找流速与效率的最佳点

通过在多种波高与周期组合下检查板下的流速，团队确定了水速和潜在功率最高的条件。他们发现波浪的陡峭程度和开口大小都很重要。对于相对较陡的波浪，轴向流速在约1.87秒的特定波周期处达到峰值。关键的是，相对开口为50%时呈现出最佳的水动力效率，也就是说在该条件下，最大比例的波能被转换为适合涡轮的快速流动。采用此开口并配合梯形海底时，该装置明显优于平底情形和其他开口尺寸。

这对波浪能源意味着什么

简而言之，本研究表明，对水下几何形状做出适度改变就能显著提升波浪能装置的性能。一块薄的淹没板配合合理尺寸的开口和成形海底，可以将波能集中成一股强劲水流以驱动轴向涡轮。结果表明，在特定波浪条件下，50% 的开口高度在允许水流通过与足够挤压使其加速之间提供了最佳平衡。虽然真实海洋比数字波槽更为复杂，但这些发现为设计紧凑、高效且可能更便宜的波浪能转换器提供了明确的起点，并与自然海床形态更好地匹配。

引用: Yadav, S.S., Roy, S. & Rathore, P.K.S. Computational investigation on the hydrodynamic performance of a vertically submerged plate-type wave energy converter under variable relative openings. Sci Rep 16, 14854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38433-7

关键词: 波浪能源, 可再生海洋能, 淹没板式转换器, 海底地形, 计算流体力学