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使用一个振荡水柱结构以减少波从垂直墙的反射

摘要：通常需要波吸收器来减少垂直壁的波反射。与传统的波吸收器不同，其将波能量消散到不可用的形式中，振荡水柱（OWC）结构可以用作波吸收体发电潜力。在这项研究中，桩支撑OWC结构在垂直墙前面的流体动力学性能实验研究。为了更好地描述，在两个点处测量OWC室内的表面高度OWC的运动。证明入射波能量可以被OWC结构有效地衰减。与桩支撑槽式阻波型波吸收体相比，OWC型波吸收体可以有效地作用于但是具有提取用于发电的波能的电位的开槽阻挡型波吸收体。间隙的影响OWC结构和垂直壁进行了检查，实验结果表明间隙的存在减少了能量提取效率并没有受益于总能量耗散。建议使用OWC型波吸收器其构造成使得其后壁是竖直壁的一部分。 DOI：10.1061 /（ASCE）WW.1943-5460.0000320。 copy;2016美国社会土木工程师。

作者关键词：振荡水柱; 波吸收体; 波反射; 波能量提取; 波能量耗散。

介绍

瓦砾堆和垂直结构是两种常用的类型的防波堤。一些垂直结构（例如，穿孔的垂直结构结构）在例如的情况下优于碎石堆化学生产终端（见Huang et al。2011）。因为从垂直结构的海浪的强反射是有害的船舶航行，停泊和货物装卸，波吸收器设计用于有效减少波反射是令人感兴趣的沿海和港口工程师。

也许最研究的波吸收器减少波来自垂直壁的反射是穿孔/开槽构件（例如，Fugazza和Natale 1992; Zhu和Chwang 2001），多孔介质（例如，Madsen 1983），以及这两者的组合（例如，Isaacsonet al。 2000）。感兴趣的读者参考最近的评论文章（例如，Huang等人2011）。穿孔/开槽构件和多孔介质可以将波能量耗散成湍流通过涡流脱落和摩擦耗散。然而，这些能量耗散机制对于更短的时间更有效波，这些结构只能消散波浪能量不可用形式的能量。

原则上，波能转换器也可以用作波吸收器，其可以将波能量转换成其他可用的形式的能量，而不是将波浪能量消散到废物中。振荡水柱（OWC）是波能转换器之一最近已经广泛研究。典型的OWC结构包括具有大底部的中空气动室在水位下方开口，并且空气被捕获在室内部的水柱上。水柱振荡由于入射波可以迫使捕获的空气流过取力器（PTO）机构。感兴趣的读者参考最近的论文关于OWC型转换器（例如Heath2012）了解更多详情。这项研究的动机是探索使用OWC型转换器作为替代品的可能性开槽屏障/穿孔结构，用于减少反射垂直墙壁。

将波能转换器集成到沿海的想法结构自20世纪80年代初以来一直在探索。

Ojima et al。（1984）提倡将OWC型转换器集成到沉箱型中防波堤。随后，这种结构在Sakata建造现场测试端口（Takahashi等人，1992）。底部OWC沉箱防波堤也被Thiruvenkatasamy研究和Neelamani（1997），Tseng et al。 （2000），Thiruvenkatasamy etet al。 （2005），Arena和Filianoti（2007），Boccotti（2012）等研究人员。他和黄（2014）实验研究了性能的桩支撑OWC结构作为防波堤。Vijayakrishna Rapaka et al。 （2004），Hong和Hong（2007），Koo（2009），和He et al。 （2012年，2013年）将OWC结构纳入浮动防波堤。 Sarmento和Falcatilde;o（1985）理论研究了在垂直墙前面的悬浮OWC结构关于潜在理论。在他们的研究中，之间有一个差距OWC结构和垂直墙，但OWC的草案结构假定为零。据我们所知，没有实验研究报道在使用OWC型的文献中转换器作为减少波对垂直墙壁反射的波吸收器。

OWC结构可以减少来自垂直壁的波反射通过两种机制：气流通过PTO机制（能量提取）和在WOC壁的边缘处的涡流脱落（能量损失）。能量提取直接相关OWC气动内部水面的垂直运动而对湍流的能量损失主要受影响通过水在OWC的边缘的水平运动墙壁。作者研究了桩支撑的OWC结构放置在垂直的墙壁前面。这项研究的目的是提供以下两个问题的答案：

1.OWC类型结构的功能可以与开槽型/穿孔型波吸收器一样有效减少波从垂直墙反射？

2.每个两个能量耗散机制有多少有助于OWC型结构的反射减少？

因为在OWC壁的边缘处的能量损失和能量提取通过PTO机制有助于减少来自垂直壁的波反射，这是假设OWC结构和垂直壁之间的间隙可能有利于波反射减少。这个假设来自Ijima等人的工作。 （1976）和Lebey和Rivoalen（2002），他研究了消散之间的差距的影响波吸收体和垂直壁。

在这项研究中，桩支撑的流体动力学性能OWC结构放置在与垂直方向不同的距离处通过一组波浪实验研究了墙体。本研究中讨论的关键实验结果包括波反射系数，总能量耗散系数，能量提取效率，由于涡流脱落引起的能量损失和表面OWC内的放大和压力波动室。

图1. OWC结构模型的几何细节

图2.垂直墙前面的OWC结构示意图

浙江大学海洋学院讲师，杭州市Zedha路38号，浙江310058; 以前，研究员，DHI-NTU中心，NEWRI，南洋理工大学，新加坡1 Cleantech Loop637141

海洋与资源工程系副教授，海洋与地球科学与技术学院，福尔摩斯大厅404，大学。 夏威夷在Manoa，2540 Dole St.，Honolulu，HI 96822（对应作者）。 电子邮件：zhenhua@hawaii.edu

注意。 该稿件于2014年12月29日提交; 批准2015年7月6日 在线发表于2016年1月5日开放至2016年6月5日; 必须为个人提交单独的讨论文件。 本文是水路，港口，沿海和海洋工程，copy;ASCE，ISSN 0733-950X。

物理模型，实验设置和数据分析

物理模型和实验设置

实验在玻璃壁波浪中进行位于南洋的液压模拟实验室新加坡理工大学。 尺寸波浪长32.5米，宽0.55米，0.6米深度。 活塞式波发生器安装在其一端水槽，以及具有1:15斜坡的吸波海滩位于另一端。

如图1所示，本研究中使用的OWC模型是一个矩形空心箱无底面，具有PTO机构通过在顶面中的槽开口建模。该模型用10mm厚的Perspex片材（Sing Mas企业有限公司，台北市，台湾，中国），及其内部尺寸为长530mm，宽400mm，400mm高度。 OWC模型的长度匹配的宽度波浪。在顶面中的狭槽开口的宽度为5mm;因此，开口率x（顶面中的开口的面积被分割通过OWC室的横截面积）为1.25％其在0.67-2.42％的范围内，如先前的研究所暗示的在文献中报道（参见Thiruvenkatasamy和Neelamani1997; Wang et al。 2002; Vijayakrishna Rapaka et al。 2004;莫里斯托马斯et al。 2007）。如果比率太小，则腔室是类似的到封闭的腔室，并且波浪能量的一部分将被浪费压缩腔室内的空气。如果比率太大，腔室类似于开放腔室，并且具有小的压降横跨开口将降低能量提取效率。

如图2所示，OWC结构放置在垂直线的前面壁，并且在OWC的后壁之间可以存在间隙结构和垂直墙。 从中心的距离OWC模型以垂直墙面表示为W，距离为从OWC模型的前壁到垂直壁作为S，使得W = G B = 2和S = G B，其中G是间隙大小。在实验中检查了四个间隙尺寸，宽度为OWC模型固定在B = 40cm处：G = 0,9.7,19.3和38.7cm（即，G = B = 0,0.24,0.48和0.97）。 OWC的草案模型（Dr）在实验期间保持在10cm。 它被找到了在我们的测试中，水面的谷水平没有下降低于所有试验条件的吃水。

在大多数关于OWC结构的先前实验研究中，测量OWC室内的水面高度只在一个点（例如，Thiruvenkatasamy和Neelamani 1997;Tseng等人 2000; Wang et al。 2002; Vijayakrishna Rapaka et al。2004; Gouaud et al。 2010）。 但是，由于多次反射波浪由OWC壁和垂直壁，空间变化的OWC室内的水表面是不均匀的（Evans and Porter 1995）。 在本研究中，测量OWC室内的水表面高度在两个点处，使得水的瞬时空间分布腔室内的表面可以通过分离来重建的波在两个相反方向上传播。

WG:波量计 PS:压力传感器

图3. 实验设置草图

图3示出了实验设置的草图。 OWC模型离波发生器12米远。在现场条件下，桩必须用于支撑这种结构，但是在这种波浪槽中测试，OWC模型简单地悬挂在固定装置上波浪。五个电阻型波长计（WG1-WG5 in图。 3），每个的精度为0.1mm，用于测量表面位移。 WG1-WG3放置在模型的前面用于反射波与通过的入射波的分离由Goda和Suzuki（1976）提出的两点法，不同三个波形测量仪之间的距离提供了三组数据可用于波分离。 WG4和WG5测量OWC室内的水表面位移;WG4和OWC腔室的前壁之间的距离为13cm，WG4和WG5之间的距离为14cm。由于用于固定OWC模型的夹具的约束和垂直墙，没有安装波纹计来测量间隙内的表面高度。两个压阻式压力传感器用于测量OWC室内的压力。一个网络摄像机被放置成面向水槽的一个玻璃壁以监视OWC内外水面的运动室。压力传感器和网络摄像机都是与波形测量仪同步。采样频率对于波形测量仪为50Hz，对于压力传感器为1,000Hz。网络摄像机的帧速率为15 Hz。三波循环的波记录，没有从波反射的波发生器，从记录的信号中选择用于数据分析。

在常规波条件下进行一系列实验。静水深度（h）固定为0.4m，目标波高（Hi）固定为0.03mu;m。 波周期从0.9〜1.6mu;s，间隔为0.1mu;s，波长（L）变化对于所测试的波周期，为1.22至2.84m。 因此，相对水深（h = L）在0.14-0.33的范围内，波浪陡度（Hi = L）在0.011-0.025的范围内。 根据LeMehaute（1976），本研究中的目标波弱非线性波。 详细的实验条件和模型的几何参数总结在表1中雷诺数（R），由R = vHiB = y定义，其中y是动力学水的粘度，v是波角频率，变化从47,120至83,780。

表1.模型的测试条件和几何参数

参数范围

水深（h）0.4m

入射波高（Hi）0.03mu;m

波周期（T）0.9-1.6秒，0.1秒间隔

波长（L）1.22-2.84米

型号宽度（B）0.4米

型号高度0.4米

模型吃水（Dr）0.1 m

间隙尺寸（G）0,0.097,0.193,0.387mu;m

相对波深（h / L）0.14-0.33

波陡度（Hi / L）0.011-0.025

相对间隙尺寸（G / B）0,0.24,0.48,0.97

雷诺数（vHB = y）47,120-83,780

图 4.（颜色）表面高程的时间序列的示例由WG4和WG5测量，T = 1.2s和G = B = 0

通过OWC计算气动功率提取

图4示出了水面位移的时间序列由WG4和WG5测量的OWC室内部。区别在这两个测量之间指示空间变化的OWC室内的水表面。理论Evans和Porter（1995）的研究表明水面在矩形OWC室内部应被视为部分驻波图案，由左右行波形成由于多次反射。表面位移的时间序列在这两个点测量允许我们执行波分离分析以获得左和右波分量。使用Goda和Suzuki的两点法（1976），左右波的幅度和相位可以是获得。之后，瞬间表面位移内室[heth;x; tTHORN;]，其中x是从一侧的距离腔室沿宽度方向，可以通过a重建右和左波的叠加。

Stiassnie et al。 （1986）认为ev逝波之间当L = B小于17时，两个板可以忽略在本研究中L = B在3.0和7.1之间，因此，ev逝当重建瞬时波时不考虑波室内的表面高度。 比较观察（从网络摄像机记录）和重建的表面在一个波周期期间的六个时刻的高度被示出图。 可以看出，表面高程的空间变化内部的OWC室可以显着，并进行表面重建方法可以充分捕捉空间OWC室内的水表面的变化。

图5.（颜色）（a）在一个波周期内的六个时刻，在T = 1.2s和G = B = 0的情况下，OWC室内的重建的表面高度（符号表示两个波量计的测量）; （b）在相应时刻的视频记录的快照

从室内的瞬时表面位移，这是从两个波浪计的记录重建的，表面振荡的瞬时垂直速度在位置x，veth;x; tTHORN;，可以通过计算

在一个波浪周期内通过空气压力完成的工作抵抗OWC室内部的水表面的运动从波场中提取的气动功率可以计算通过

其中lt;gt;表示在横截面积上的平均值OWC室; 和空气的瞬时压力并且当空气是不可压缩时在空间上是均匀的。腔室内的空间平均表面位移

在OWC的早期研究中，室内的水表面通常被认为是一个失重的活塞。 物理上，h？ eth;tTHORN;表示这种假想的失重的瞬时位移活塞。 作者强调应该预期大的误差对于较短的波在使用时测量的表面位移一点表示h？ eth;tTHORN;。 对于以后的讨论，作者写道H？ eth;tTHORN;frac14;Ah？ 其中Ah？ 是空间的振幅在OWC室内的平均表面位移; 和w是a相位角。

多方面分析

对于二维OWC模型，反射的幅度波（Ar），由OWC提取的波功率（Pge;0），振幅的OWC内的空间平均表面位移室内

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