Impact of Reservoir Inflow Velocity on Flow Dynamics and Turbine Design in Overtopping Breakwater Energy Conversion Systems

技术摘要：储水库入流速度对越浪式防波堤能量转换系统中流动动力学及涡轮机设计的影响

问题陈述
越浪式防波堤能量转换（OBREC）系统将海岸防护与波浪能捕获相结合，通过将越浪水收集到高位储水库中，以驱动低水头涡轮机。虽然现有文献广泛利用储水库水头和越浪流量来表征 OBREC 的性能，但这些指标不足以定义涡轮机入口处的瞬时水力条件。进入储水库的流量通常表现为高度瞬态的射流、溅跃事件和短时脉冲。因此，仅基于积分流量的评估可能会忽略关键的动态入流特性——即储水库入流速度 ($V_{res}$)—而这些特性直接影响涡轮机的效率、载荷和控制策略。此外，坡道几何形状（线性 vs. 凸形）对这些瞬态速度条件的影响仍有待深入研究。

研究方法
本研究采用光滑粒子流体动力学（SPH），这是一种无网格的基于粒子的数值方法，来模拟 OBREC 系统中的波浪传播和越浪过程。模拟使用开源软件 DualSPHysics 并采用 Wendel 核函数，以确保稳定性并实现精确的自由表面建模。

• 模型验证： SPH 模型根据二阶波浪理论的解析解进行了验证。基于与解析波浪剖面相比具有最低均方根（RMS）误差的原则，选择了 0.03 m 的粒子间距。
• 模拟设置： 对两种不同的坡道几何形状（线性与凸形）构建了数值波浪槽（长度 20 m，静水深度 0.8 m）。两种配置具有相同的 23° 前坡道斜率、0.025 m 的顶端自由高度 ($R_r$) 和 0.135 m 的储水库宽度 ($B_r$)。
• 波浪条件： 生成了显著波高 ($H_s$) 为 0.15 m 和 0.18 m，且峰值周期 ($T_p$) 在 1.59 s 至 2.23 s 之间的正则波。这些模型规模的条件对应于原型条件下 3.0 m 波高和 8.05 s 周期的条件（比例为 1:20）。
• 分析框架： 应用了基于重力的无量纲分析。储水库入流速度 ($V_{res}$) 通过波浪波速尺度 ($\sqrt{gH}$) 进行归一化，并作为波陡 ($H/L_m$)、相对深度与波高比 ($h/H$) 以及相对深度与波长比 ($h/L_m$) 的函数进行分析。

主要结果

1. 几何形状对越浪的影响： 与凸形几何形状相比，线性坡道几何形状始终能促进更强的涌浪（run-up）和更频繁的越浪事件。凸形坡道由于边界层发展和湍流增加，导致流径延长了 15%，从而诱发了更大的能量耗散，在较低能量的波浪条件下（如 $H_s = 0.15$ m）甚至会完全抑制越浪。
2. 入流速度特性：
   • 线性几何形状： 在测试条件下产生了约 0.399 m/s 至 0.591 m/s 的可测量入流速度。
   • 凸形几何形状： 在若干情况下表现为零越浪（特别是在较低波高时）。当发生越浪时（在较高能量波浪下），其速度通常低于线性几何形状（例如 0.281 m/s 至 0.512 m/s）。
3. 无量纲趋势：
   • 波陡 ($H/L_m$)： 归一化入流速度 ($V_{res}/\sqrt{gH}$) 随波陡增加呈现下降趋势。较陡的波浪导致更早的破碎并增强了沿坡道的能量耗散，从而减少了向储水库传递的动量。
   • 相对深度 ($h/H$ 和 $h/L_m$)： 较高的深度与波高比 ($h/H$) 与较高的归一化入流速度相关，表明相对于波高而言，较深的水体有助于保持动量。相反，增加相对深度与波长比 ($h/L_m$) 会导致归一化入流速度降低。

核心贡献

• 将速度作为主要变量： 本研究明确将储水库入流速度 ($V_{res}$) 作为关键的水力响应变量，超越了传统的以流量为中心的评估，旨在解决涡轮机设计所需的特定边界条件。
• 几何敏感性： 研究量化了坡道几何形状（线性 vs. 凸形）如何不仅改变越浪水的体积，还改变了入流的速度和动量，强调了即使流量率相似，也可能产生截然不同的涡轮机入口条件。
• 无量纲定标： 本研究建立了一个将 $V_{res}$ 与波陡和相对深度参数联系起来的无量纲框架，为预测不同海况下的入流行为提供了一种可扩展的方法。

意义与主张
作者断言，将 $V_{res}$ 作为显式设计参数对于集成涡轮机的 OBREC 系统水力设计至关重要。虽然流量指标可以估算可用能量，但它们无法捕捉决定涡轮机启动阈值、效率包络线和运行可靠性的非稳态强迫条件。

研究结论认为，线性几何形状提供了更宽的运行范围，能够在凸形几何形状可能无法产生越浪的低能波浪条件下维持入流。相反，凸形几何形状将运行集中在高能状态。因此，归一化入流速度 ($V_{res}/\sqrt{gH}$) 应与水头和流量一起，被视为控制性的水力参数。这种方法弥合了越浪水动力学与动力输出（PTO）设计之间的鸿沟，能够实现更符合物理规律的涡轮机选型与性能优化。作者指出，虽然这些发现阐明了系统性的依赖关系，但仍需进一步研究以在更广泛的设计空间（包括变化的坡道剖面和水深）内推广这些结果。