lch
发布于 2026-05-08 / 0 阅读
0

【海洋可再生能源专刊】| 振荡水柱防波堤前墙受力特性试验研究

论文导读与观点概要


1. 研究目的

振荡水柱(OWC)防波堤在兼具消波功能的同时可捕获波浪能,但其前墙结构在极端波浪下易受损(如西班牙Mutriku港案例)。现有研究多关注表观波浪力,往往忽视了气室内气压振荡对前墙产生的反向荷载。本文旨在通过物理模型试验,厘清波压力与气压力对前墙水平总力的耦合贡献机制,寻找高波力危险区域,为OWC防波堤的结构安全设计提供理论依据。

2. 研究方法

本文采用物理模型试验时域分析法相结合:

1)试验设置:在二维波浪水槽中进行,利用狭缝开口模拟冲击式空气透平(PTO)。
2)数据采集:同步测量前墙迎浪侧、背浪侧的波浪压强及气室内气体压强。
3)参数范围:系统研究了8种狭缝开口率(s=0.789%~2.632%)和不同气室宽度比(B/L)下的受力情况。
4)计算逻辑:将前墙水平波致力分解为迎浪侧波压分力、背浪侧波压分力和气压分力,通过公式(5)计算合力。

3. 主要结果与发现

🌊 波浪与气压分布特征

迎浪侧:波压力分布类似直墙,最大峰值出现在静水面附近。气室宽度比B/L)和狭缝开口率主要改变高波压区域的垂向尺度和峰值幅值。
背浪侧:波压力受气室内部液面振荡(如晃荡、驻波)影响显著,存在明显的不均匀性。
气体压强:在B/L=0.15 附近达到峰值,狭缝开口率越小,气压振荡越剧烈。

💣 高波力区域形成机制

研究发现前墙最大水平波致力存在两个明显的高波力区域,其形成机制截然不同:

高波力区域 I(0.20<B/L<0.30,开口率s >1.50%):
成因:主要由前墙两侧的波浪压强共同作用形成。此时气压分力较小且近似为0。
特征:迎浪侧和背浪侧波压力峰值同向叠加。
高波力区域 IIB/L=0.15,开口率s<1.50%):
成因:主要由前墙背浪侧波浪压强和气体压强共同作用形成。此时迎浪侧波压呈负贡献。
特征:气压振荡剧烈,气压力与背浪侧波压力同向叠加,导致总力巨大。

4. 结 论

气压作用不可忽视:在狭缝开口率较小(s<1.50%)且B/L=0.15的工况下,气体压强对前墙水平总力的贡献显著,是导致结构破坏的主要原因之一。
参数敏感性:狭缝开口率的增大会显著降低气压振荡幅值,从而限制气压力的贡献;同时会增大迎浪侧的高波压区域范围。
设计建议:为确保结构安全,OWC防波堤的工程设计应根据海域波浪特征调整气室结构参数(宽度比和开口率),尽量避开上述两个高波力区域。若无法避开,需重点针对气压力或波压力的主导分量进行结构加强。


💡 推广语

这篇文章通过精细的物理模型试验,揭开了OWC防波堤“墙后气压”的神秘面纱。它证明了在特定工况下,看不见的“气压力”可能是压垮结构的最后一根稻草。对于从事海洋工程设计的研究人员而言,这是优化OWC结构、规避工程风险的必读实证研究。


相关图表











(长按二维码可直接阅读全文)


本文引用格式:何方, 宋孟夏, 潘佳鹏. 振荡水柱防波堤前墙受力特性试验研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(2): 81-90.  (HE Fang, SONG Mengxia, PAN Jiapeng. Experimental study on the force characteristics of the front wall of an oscillating water column breakwater[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(2): 81-90.  (in Chinese))


作者简介:何方   


图片


何方,浙江大学教授,博士生导师,主要从事海岸与海洋工程、海洋可再生能源方面的研究。优秀青年科学基金(E11海洋工程)获得者,浙江省“万人计划”科技创新领军人才,Elsevier中国高被引学者(海洋工程领域)。国家重点研发计划“海洋环境安全保障与岛礁可持续发展”重点专项总体专家组成员,国家自然科学基金学科评审组专家。2015年7月起在浙江大学海洋学院任教,2017年12月晋升副教授,2020年12月晋升教授。2022年5月至2023年8月任海洋学院院长助理(双专计划),2022年7月起任海洋工程学系系主任、海洋工程学科负责人,2023年6月起任海洋学院党委委员,2024年7月起任海洋结构物与船舶工程研究所所长。担任中国可再生能源学会青年工作委员会副秘书长、中国海洋学会海洋工程分会理事、中国水力发电工程学会海洋能技术专业委员会委员等学术兼职。担任Applied  Ocean Research(JCR Q1期刊)编委及波浪能专刊主编、Journal of Zhejiang University-SCIENCE A(Applied Physics & Engineering)(JCR Q1期刊)青年编委及波浪能专刊主编、International Journal of Ocean and Coastal  Engineering执行编辑、《水力发电学报》编委等学术工作。


参考文献


1

BØNKE K, AMBLI NPrototype wave power stations in Norway[C]//Proceedings of the Utilization of Ocean Waves-Wave to Energy ConversionVirginia, USA: ASCE, 1986: 34-35.

2

余海涛白志刚王英志.弹性胶囊振荡水柱式波能转换装置的水动力特性研究[J].海洋工程2024425):142-156.

YU H TBAI Z GWANG Y Zet al.Hydrodynamic characteristics of an elastic capsule oscillating water column wave energy converter[J].The Ocean Engineering, 2024425):142-156(in Chinese)

3

李梦瑶邓争志叶杨莎.基于多孔介质层的振荡水柱波能转换装置水动力性能的数值研究[J].海洋工程2025432):68-80.

LI M Y, DENG Z Z, YE Y Set alNumerical study on the hydrodynamic performance of oscillating water column wave energy converters based on porous medium layers[J]. The Ocean Engineering, 2025432):68-80(in Chinese)

4

MIA M R, ZHAO M, WU H, et alHydrodynamic performance of a floating offshore oscillating water column wave energy converter[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2022, 1010): 1551.

5

鲍锦涛, 程一帆, 邓争志, 非对称垂荡式振荡水柱波能转换装置的水动力性能[J]. 海洋工程, 2023, 416): 51-64.

BAO J T, CHENG Y F, DENG Z Z, et alHydrodynamic performance of an asymmetric oscillating water column wave energy convertor in heaving mode[J]. The Ocean Engineering, 2023, 416): 51-64(in Chinese)

6

傅磊, 宁德志, 王荣泉, 不规则波作用下岸基式振荡水柱波能装置的水动力性能研究[J]. 海洋学报, 2024, 461): 101-110.

FU L, NING D Z, WANG R Q, et alHydrodynamic performance study of a land-based OWC under the action of irregular wave[J]. Haiyang Xuebao, 2024, 461): 101-110(in Chinese)

7

FLEMING A, PENESIS I, MACFARLANE G, et alEnergy balance analysis for an oscillating water column wave energy converter[J]. Ocean Engineering, 2012, 54: 26-33.

8

HE F, HUANG Z H, WING-KEUNG LAW AHydrodynamic performance of a rectangular floating breakwater with and without pneumatic chambers: an experimental study[J]. Ocean Engineering, 2012, 51: 16-27.

9

HE F, HUANG Z HHydrodynamic performance of pile-supported OWC-type structures as breakwaters: an experimental study[J]. Ocean Engineering, 2014, 88: 618-626.

10

GAYATHRI R, CHANG J Y, TSAI C C, et alWave energy conversion through oscillating water columns: a review[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2024, 122): 342.

11

史宏达, 杨国华, 刘臻, 新型沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置的设计及稳定性研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2010, 409): 142-146.

SHI H D, YANG G H, LIU Z, et alStudy on new cassion breakwater as OWC[J]. Periodical of Ocean University of China, 2010, 409): 142-146(in Chinese)

12

何方, 陈妍, 潘佳鹏迷宫形透空式防波堤的水动力性能试验研究[J]. 海洋工程, 2025, 432): 1-11.

HE F, CHEN Y, PAN J PExperimental study on the hydrodynamic performance of labyrinth-type permeable breakwaters[J]. The Ocean Engineering, 2025, 432): 1-11(in Chinese)

13

LI D M, WANG T Y, TAO J, et alModel predictive control of a single-buoy wave energy converter with coupled constraints and model adaptation[J]. Ocean Engineering, 2025, 315: 119887.

14

MEDINA-LÓPEZ E, ALLSOP W, DIMAKOPOULOS A, et alDamage to the Mutriku OWC breakwater:some lessons from further analysis[C]//Coasts, Marine Structures and Breakwaters 2017Liverpool, UK: ICE Publishing, 2018: 957-967.

15

KUO Y S, LIN C S, CHUNG C Y, et alWave loading distribution of oscillating water column caisson breakwaters under non-breaking wave forces[J]. Journal of Marine Science and Technology, 2022, 23: 78-87.

16

GODA YNew wave pressure formulae for composite breakwaters[J]. Coastal Engineering Proceedings, 1974, 114): 100.

17

FILIANOTI P G F, GURNARI LA field experiment on wave forces on an energy-absorbing breakwater[J]. Energies, 2020, 137): 1563.

18

ASHLIN S J, SANNASIRAJ S A, SUNDAR VWave forces on an oscillating water column device[J]. Procedia Engineering, 2015, 116: 1019-1026.

19

NING D Z, WANG R Q, GOU Y, et alNumerical and experimental investigation of wave dynamics on a land-fixed OWC device[J]. Energy, 2016, 115: 326-337.

20

PAWITAN K A, VICINANZA D, ALLSOP W, et alFront wall and in-chamber impact loads on a breakwater-integrated oscillating water column[J]. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 2020, 1465): 04020037.

21

ZHU G X, SAMUEL J, ZHENG S M, et alNumerical investigation on the hydrodynamic performance of a 2D U-shaped oscillating water column wave energy converter[J]. Energy, 2023, 274: 127357.

22

NING D Z, MU D, WANG R Q, et alExperimental and numerical investigations on the solitary wave actions on a land-fixed OWC wave energy converter[J]. Energy, 2023, 282: 128363.

23

ROMOLO A, TIMPANO B, LAFACE V, et alSmall-scale field experiment on wave forces on a U-OWC breakwater[J]. Coastal Engineering, 2024, 189: 104476.

24

HE F, HUANG Z HCharacteristics of orifices for modeling nonlinear power take-off in wave-flume tests of oscillating water column devices[J]. Journal of Zhejiang University: Science A, 2017, 185): 329-345.

25

HE F, HUANG Z HUsing an oscillating water column structure to reduce wave reflection from a vertical wall[J]. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 2016, 1422): 04015021.

26

NING D Z, WANG R Q, ZOU Q P, et alAn experimental investigation of hydrodynamics of a fixed OWC wave energy converter[J]. Applied Energy, 2016, 168: 636-648.




END





期刊简介



Introduction





《海洋工程》是中国科学技术协会主管,中国海洋学会主办,南京水利科学研究院和上海交通大学承办的综合性中文科技期刊,双月刊,创刊于1983年现已成为我国海洋工程领域具有较大影响力的学术期刊。报道范围涵盖深海工程、近海工程、海上风电工程、河口海岸工程、港口航道工程、海洋能源利用工程、海底矿产资源开发工程、水下工程、潜水救捞技术等。
《海洋工程》立足于自身定位,突出刊物特色,遵循理论与实践相结合的原则,在内容上理论性与实用性兼顾。贯彻科学技术要面向生产,为国民经济建设服务和“百花齐放,百家争鸣”的方针,交流科研成果,开展学术讨论,为提高我国海洋工程的科学技术水平,促进我国海洋资源的开发利用作出积极贡献。



本刊是全国中文核心期刊,中国科技核心期刊,《中国科学引文数据库》(CSCD)核心期刊,CSCIED科技核心期刊,美国《剑桥科学文摘》(CSA)、日本科学技术振兴机构数据库(JST)、科技期刊世界影响力指数(WJCI)等收录期刊,中国科技论文统计源期刊等。


先后荣获中国国际影响力优秀学术期刊、国家级优秀海洋期刊、学术影响力进步期刊、第八届华东地区优秀期刊、江苏期刊明珠奖·优秀期刊(2025)、中国科技期刊卓越行动计划二期集群(集团)化试点项目(A类)集群期刊、中国科协高水平中文期刊培育项目资助等荣誉。



联系方式



Contact




7

地址:江苏省南京市鼓楼区虎踞关34号《海洋工程》编辑部


邮箱:oe@nhri.cn


电话:025-85829332


关注我们


Follow us






期刊公众号

期刊官网

作者QQ交流群