基于两相流SPH-ALE方法的近破波对浪溅区波浪能俘获结构冲击作用研究

Breaking wave slamming is an important factor of threatening the survivability of wave energy converters (WECs) in real sea. However, the representative and controllable extreme wave can't be generated by conventional wave theory efficiently and the computational accuracy of wave slamming load is influenced by the compressibility of air. A SPH-ALE hybrid method for air-liquid two phase flow is developed for investigating the breaking wave slamming on the wave energy capture device in surf zone, in which the extreme wave model is constructed based on "NewWave theory". The field variation of velocity and pressure neighboring the structure are illustrated and analyzed in the process of breaking wave slamming. The extreme load exerting on the wave energy capture device and corresponding motion response are predicted. The research in this project will be helping to pave the way for design and assessment of WECs.

破波冲击是威胁波浪能发电系统实海况生存能力的重要因素。由于传统的波浪理论不能高效可控地产生具有代表性的极限波浪，且空气的可压缩性影响着波浪冲击荷载的计算精度，本项目采用气-液两相流的SPH-ALE混合方法，基于"新波理论"构建极限波浪模型，进行近破波对浪溅区波浪能俘获结构的冲击作用研究，揭示破波冲击过程中结构物附近流体速度场和压力场的变化规律，预测实海况条件下波浪能俘获结构所受的极限冲击荷载及其运动响应，为波浪能发电系统的设计与评价奠定基础。

极限波浪尤其是破碎波对浪溅区波浪能俘获结构的冲击作用是威胁波浪能发电系统生存能力的重要因素。光滑粒子动力学方法（SPH）不需要特殊处理即可实现对复杂自由表面的精确捕捉，非常适合于极限波浪对波浪能俘获结构冲击问题的数值模拟。但目前研究中多采用含人工粘性的传统SPH方法，该方法往往因人工粘性的耗散而造成波浪传播过程的能量衰减，且多数没有考虑结构物附近空气的可压缩性，从而影响了波浪载荷计算的精度。.本项目的主要研究内容是：基于光滑粒子流体动力学—任意拉格朗日欧拉（SPH-ALE）方法建立二维数值水槽，在传统SPH方法中引入近似黎曼求解器替代人工黏性，水槽末端采用海绵层消除波浪反射；在SPH-ALE单相流模型的基础上，通过修改两相交界面处粒子间相互作用的控制方程和黎曼求解器算法，建立适用于大密度比的SPH-ALE气液两相流模型，考虑空气可压缩性对结构物运动及其所受波浪力的影响；应用所建立的SPH-ALE单相流和两相流模型，对规则波、聚焦波以及破碎波进行数值模拟，验证模型模拟波浪传播变形的精度；进而开展极限波浪对波浪能俘获结构的冲击问题研究，验证模型流固耦合模拟的有效性。.研究结果表明：与采用人工黏性的传统SPH方法相比，本项目SPH-ALE模型能够显著提高规则波传播数值模拟的精度，可有效减小数值耗散并缓解固边界附近的粒子压力振荡，指数型衰减的海绵层具有良好的消波效果；通过对经典溃坝问题模拟结果的对比分析，表明SPH-ALE两相流模型在模拟流体运动和冲击时，与SPH-ALE单相流模型结果相比具有更高的计算精度；本项目所建立的SPH-ALE模型，能较精确地模拟聚焦波和破碎波，并能准确预测极限波浪作用下浮力摆式波浪能发电装置摆板的运动响应；与SPH-ALE单相流模型相比，SPH-ALE两相流模型模拟的摆板附近流场特性更接近物理模型试验结果。.本项目研究改进了传统SPH方法在模拟波浪传播及其与结构物相互作用问题时的计算精度，扩展了SPH方法在波浪能俘获结构水动力数值模拟方面的应用，可为波浪能发电系统的设计研发与生存性评估提供有效工具。