不规则波作用下OWC沉箱气室捕能效果研究＊

史宏达，焦建辉，刘 臻，杨国华

（1.中国海洋大学海洋工程山东省重点实验室，山东青岛266100；2.镇江市港口建设工程质量监督站，江苏镇江212004）

不规则波作用下OWC沉箱气室捕能效果研究＊

史宏达1，焦建辉1，刘 臻1，杨国华2

（1.中国海洋大学海洋工程山东省重点实验室，山东青岛266100；2.镇江市港口建设工程质量监督站，江苏镇江212004）

沉箱防波堤兼作岸式波力发电装置是1种新型的港工建筑物，它是集合了防波堤与岸式振荡水柱波力发电装置的共性特点设计而成。本文主要是在物理模型的基础上，研究沉箱气室捕能效果。试验中主要采集了沉箱气室内的波高、气压以及输气管的空气流速等数据。

沉箱防波堤；岸式波力发电装置；物理模型试验；捕能；转换效率

当今世界，能源是人类发展与存在的基石，也已经是世界经济增长的动力。随着世界经济的发展、世界人口的增加和人民生活水平的不断提高，世界能源的消耗正在大幅度的增加，由于主要依赖化石能源的大量使用，人类的未来面临着各种各样的挑战，包括高投入、环境污染、全球变暖、安全危机、资源利用不平等和枯竭等［1］，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环境污染日益加重和环保压力逐渐加大，因此寻找和利用新能源是21世纪科技工作者的1个重要任务。

开孔直立结构具有较好的消浪功能和港湾稳定停泊等优点，近几十年来，国内外学者对开孔沉箱的波浪反射、越顶及沉箱所受的波浪力等研究做出了重大贡献，并在世界各地的很多港口、码头及防波堤工程中采用［2］。而作为海洋能的一种，波浪能的发电装置种类繁多，其中OWC（Oscillating Water Column）式装置是重要的研究对象。

沉箱防波堤与岸式OWC波能装置具有交叉性，两者均设在水深不超过20m的海域，且断面尺度相似，均需要承受波浪力，因而，沉箱防波堤可设计成与OWC装置相似的气室结构。基于以上分析，在前期研究的基础上，本文进行了不规则波作用下新型沉箱防波堤兼做岸式OWC波能装置气室捕能效果的分析研究。

1 装置工作原理及设计

1.1 装置的工作原理

本文研究的OWC发电装置是基于沉箱防波堤与岸式振荡水柱式发电装置的共性设计的。一方面，沉箱防波堤的断面结构形式及其预制、运输、施工技术已日益成熟，因此，本装置的大开孔沉箱预制不存在技术上的问题。另一方面，OWC装置的气室是振荡水柱式发电装置的主要工作区域，沉箱提供大的气室空间成为装置发电的必要条件。

沉箱防波堤兼作岸式波力发电装置的工作原理是将沉箱预留隔舱作为OWC气室，当水位处于装置的工作水位时，气室内水面以上存储大量空气。由于气室内海水与沉箱外海水连通，入射波浪波面变化引起气室内水面振荡呼出和吸入空气，完成气－液能量交换，即OWC发电装置的第1次能量转换。气室空气体积变化引起气室内外压差，使空气通过输气管冲击空气透平叶片转动做功，完成OWC发电装置的第2次能量转换。第3次能量转换即空气透平转子带动发电机械发电，最终完成从波浪能到电能的转化过程（如图1所示）。此外，多气室结构一般可利用一种叫做水阀的装置［3］，机组根据波浪的“波峰”和“波谷”分2个步骤进行，通过集合喷管收集各个气室的气体。

图1 能量流序图Fig.1 The view of energy conversion

1.2 OWC发电装置的气室设计

矩形沉箱为增强自身刚度并减小箱壁和箱底的计算跨度，一般设置纵横隔墙，气室设计的思路为：在保证沉箱稳定性的前提下，预留迎浪面隔舱作为OWC气室，见图2。

图2 OWC发电装置气室设计示意图Fig.2 The view of the air chamber design of OWC

2 模型试验

2.1 试验仪器

2.1.1 沉箱防波堤尺寸设计及模型比尺选取

2.1.1.1 沉箱防波堤堤顶高程及基床高程的确定 沉箱顶面高程，从建筑物功能实用性考虑，越低越好，但也要考虑施工方便。根据《防波堤设计与施工规范》［4］的要求，对基本不允许越浪的直立堤，堤顶宜定在设计高水位3.16m以上1.0～1.25倍设计波高值处，即：

顶高程＝3.16＋3×（1.0～1.25）＝6.16～6.91（m）

在本研究中沉箱防波堤堤顶高程取6.5m。沉箱防波堤采用明基床结构，水底高程为－12m，基床高2.5m，因此基床顶部高程为－9.5m。

2.1.1.2 沉箱防波堤设计尺寸的确定 沉箱的宽度主要由码头建筑物的水平滑动和倾覆的稳定性以及抛石基床与地基的承载力决定，同时也要满足浮运吃水、干舷高度和浮游稳定性要求。为了减小箱体的宽度，在沉箱底部的两侧加设趾板。沉箱的长度一般取决于施工设备的能力，同时考虑与码头变形缝的间距相适应。《重力式码头设计与施工规范》［5］与《防波堤设计与施工规范》等相关规范对沉箱式防波堤的沉箱壁厚、底板厚度、隔舱大小及隔墙厚度等参量作了详细的规定，结合本文的试验研究，设计沉箱壁厚0.5m，隔墙厚度0.3m，底板厚度0.7m，沉箱盖板0.7m（本文如无特殊说明，图中高程单位为m，长度单位为mm）。图3中，沉箱隔舱①是振荡水柱式发电装置的气室，用于消浪、吸收转换能量，气室隔舱前壁大开孔，开孔形状、尺寸如图4；沉箱隔舱②用于回填砂石，以保证沉箱防波堤的稳定性；③为输气管，连接气室与空气透平；④为沉箱预制梁，由于气室跨度较大，设置预制梁可以更好地保证气室的结构强度。

图3 沉箱俯视图Fig.3 Top view of cassion breakwater

图4 沉箱前视图Fig.4 Front view of cassion breakwater

2.1.1.3 模型比尺的选取 模型试验是根据相似原理，制成和原型相似的小尺度模型进行试验研究，并以试验的结果预测出原型将会发生的流动现象。进行试验模型前，首先要选择模型律。本模型试验中，波浪运动主要依靠重力维持，因此按照弗雷德准则设计模型，即原型与模型具有相同的Fr。

进行模型设计，根据试验水槽、模型制作和量测条件，定出长度比尺λL＝30，根据弗雷德准则，可以推出以下比尺：

2.1.2 试验数据采集仪器 本试验是在海军工程实验室的断面试验水槽中进行的，水槽长50m、宽1.2m、深1.2m，水槽一侧的造波机的最大造波波高为0.23m。试验主要监测不同波要素下气室内波面变化、压力变化及输气管流速值。试验中，在波高仪两侧各布置一个大气压力传感器，在输气管中段位置布置一个热敏式流速仪（见图5），流速仪量程为0～10m／s。气压、流速数据是通过ADAM－4117数据获取模块（见图6）接收气压传感器和流速仪的电压输出信号转换而得。

图5 压力传感器和热敏式流速仪Fig.5 Pressure sensor and air velocity and temperature transmitter

图6 ADAM－4117数据采集模块Fig.6 ADAM－4117data acquisition module

2.2 试验工况

2.2.1 不规则波波浪要素选取 本研究主要是研究装置在不规则波作用下的稳定性及气室捕能效果，为找出装置在不同波要素下的规律，本试验设置极端高水位（水深15.16m）、工作高水位（水深13.58m）、平均水位（水深12m）、工作低水位（水深10.42m）等4个水位进行模型试验。

《波浪模型试验规程》规定：单向和多向不规则波宜模拟工程水域的实测波谱。无实测波谱时，可采用现行行业标准《海港水文规范》（FTF213－98）中规定的波谱或其他合适的波谱，不满足规范谱要求的，采用改进的JONSWAP型谱（Goda，1999）。该谱由英、荷、美、德等国家的有关单位在中等风况和有限风距的情况下测得，多数使用经验表明，此谱和实测结果符合较好，而且适用于不同成长阶段的风浪，目前已得到广泛应用。中国海洋工作者在研究中也曾将规范谱、JONSWAP谱与我国黄海、南海海区的实测谱进行过比较，发现两者均与实测谱吻合较好；日本合田良实也建议在实际工程中采用改进的JONSWAP型谱。该谱的计算公式如下：

此处

本试验优先采用规范谱，对于不满足规范要求的，采用改进的JONSWAP型谱。

2.2.2 试验示意图及试验工况设计 图7为试验结构示意图，其中，沉箱高为h，入射波高为Hi，水深为d，沉箱宽度为B，消浪室宽度为B1，高度为h1，消浪室顶部距水面高度为d1，底部距水面的高度为d2。

图7 试验结构示意图Fig.7 The schemes of experiment

试验工况共32组，见表1，每组试验做3次，取其平均值作为代表值。

本试验采样次数为8 192次，《波浪试验模型规程》规定，不规则波应连续采集100个以上波浪所对应的波浪力峰值。每种工况连续采集110个波浪，重复3次，取3次的平均值作为代表值。

表1 气室捕能效果试验工况及采用的依据波汇总表（原型值）Table 1 The capture effect of air chamber and the total table of reference wave

3 气室捕能效果影响因素的分析

气室的捕能效果直接影响气室工作性能，因此，研究其捕能效果尤为重要。沉箱防波堤兼作OWC发电装置在保证其稳定性的前提下，应尽可能多地吸收转化波浪能用以发电，而气室作为第1次能量转换的载体，其捕能效果直接决定着第2次能量转换的大小。本实验进行了不规则波作用下装置模型气室捕能效果的研究，得到了气室内相对波高、压力及输气管流速等重要参数的关系

图8 入射波高对气室内波高及压强的影响Fig.8 The influence of wave heights and press of air chamber with incident wave heights

3.1 入射波要素的影响

入射波要素主要是指入射波的波高H和波周期T。本文在保持试验水位及沉箱气室各形状参数均不变的情况下，不规则波作用下波压力试验的工作条件是：工作水位为极端高水位（水深15.16m）、工作高水位（水深13.58m），入射有效波高Hs＝1、1.5、2m，入射有效周期Ts＝5、6、7、8s。

3.1.1 入射波高因素影响分析 图8（a）中可以看出入射波波高与气室内的波高呈线性关系，并且气室内的波高随着入射波波高的增加而逐渐增加。在Ts为5.0和6.0s时，气室内波高的变化较为平稳，而Ts为7.0和8.0s时，气室内波高的变化较为显著。由图（8b）中可以看出，在平均水位下，气室压强与有效波高呈正比关系，随着入射有效波高的增大，气室压强也在增大。

图9 入射周期变化对气室内相对波高的影响Fig.9 The influence of relative wave heights of air chamber with incident wave period

3.1.2 入射波周期因素影响分析 图9（a）是气室相对波高受入射波周期变化影响图。图中入射有效波高Hs＝1、1.5、2m，入射有效周期Ts＝5、6、7、8s。由图中可以发现，气室内相对波高比与入射波周期基本上呈线性关系，周期越大，相对波高越大。图9（b）是平均水位下，入射波周期对气室压强的影响，图中入射有效波高Hs＝1、1.5、2m，入射有效周期Ts＝5、6、7、8s。由图可以看出，气室压强与入射波周期基本上也呈线性关系，周期越长，气室内压强越大，这说明随着气室内水柱振荡的剧烈加剧，气室内波高也在逐渐增大，这与图10中波面变化受周期影响结果相同。即相同周期下，气室内压强随入射波高得增大而增大，周期越大，气室内压强受波高影响因素越大。

由上面2图可以看出：入射波周期是1个影响气室波面变化的重要因素，而本装置对多大周期的入射波比较敏感是研究的重点。从上2图可以发现，在Ts＝5～8s时，周期越大，沉箱气室内的波面变化越剧烈，更有利于气室吸收转换波浪能。前期对规则波的研究成果中显示，气室振荡水柱波幅随周期的增大而逐渐增大。因此，可以得出结论，统计波浪周期较大的海区更适合本装置气室吸收转换波浪能。

图10 Ts＝5s，Hs＝1.5m（模型值）时气室内外波高对比Fig.10 Wave heights in and out of air chamber at T＝5s，Hs＝1.5m（Model value）

图11 Ts＝7s，Hs＝1.5m（模型值）时气室内外波高对比Fig.11 Wave heights in and out of air chamber at T＝7s，Hs＝1.5m（Model value）

3.1.3 气室内波高与入射波高的时域对比分析 图10～12为Hs＝1.5m，Ts＝5、6、7、8s的入射波情况下，气室内波面变化与入射波波面变化的时程曲线。从图中可以看出，气室内波面变化与入射波面的变化趋势具有一定相关性，随着入射波周期的变大，气室内波高明显增大。

图12 Ts＝8s，Hs＝1.5m（模型值）时气室内外波高对比Fig.12 Wave heights in and out of air chamber at T＝8s，Hs＝1.5m（Model value）

图13 工作水位变化对气室内相对波高的影响Fig.13 The influence of relative wave heights of air chamber with the change of Work level

3.2 工作水位的影响

图13（a）为入射有效波高Hs＝1.5m，前墙吃水4.4m时，气室内相对波高随工作水位的变化情况。由图中可以看出，工作水位随着周期的变化呈线性关系，并且在工作低水位下，相对波高的变化趋势较为平缓，而在工作高水位下，相对波高的变化趋势较为明显。Ts＝5、6s时，相对波高受工作水位影响很小；Ts＝7、8s时，相对波高在工作高水位、平均水位下仍然趋于一致，但在工作低水位下，相对波高较小。综上说明在不规则波作用下，气室在工作低水位下波幅变化较小，尤其是在长周期入射波的条件下，气室吸收转换波浪能的能力降低。图13（b）为入射有效波高Hs＝1.5m，前墙吃水4.4m时，在不同工作水位下，气室内压强的变化情况。由图中可以看出，不同的工作水位下气室内压强变化的情况不一。在d＝10.42m时，气室压强随周期呈规则线性变化；在d＝12m时，气室压强在Ts＝7s，8s时增幅较大；在d＝13.58m时，气室压强与周期呈线性变化，在Ts＝8s时，气室内压强幅值趋于稳定。

从以上2图的描述变化来看，气室压强在周期处于中间范围内，随工作水位升高而增大。在工作低水位下，气室压强随周期基本呈线性变化，在工作高水位下，气室压强随周期的增大而逐渐增大，后又趋于稳定，在平均水位下，压强随周期增大而增大，且在Ts＝8s时，压强幅值比工作高水位幅值还大。所以综合以上分析，对于不规则波作用下，本装置在平均水位下，入射周期越大，气室压强幅值越大，气室吸收能量也就越大。

图14 前墙吃水变化对气室内相对波高的影响Fig.14 The influence of relative wave heights of air chamber with the change of skirt

3.3 前墙吃水的影响

图14（a）是通过改变OWC沉箱前板高度得到的不同前墙吃水情况下的气室波幅变化，试验中采用平均水位，入射有效波高Hs＝1.5m。由图中可以看出，装置前墙吃水深度越小，气室内相对波高就越大，因此说明气室内相对波高与前墙吃水呈反比关系。分析原因：前墙吃水为5.4m时，气室内外的水体联动性能较差，因此导致气室内的相对波高较小，而当前墙吃水为3.9m时，气室内外水体的联动性能较好，所以气室内相对波高的变化也较为明显。这就说明，前墙吃水对气室内外水体的联动性具有很大的影响关系，这也和规则波作用下前墙吃水与气室内相对波高的关系趋势一致。图14（b）是不同前墙吃水深度下，有效周期与气室内压强的关系图，试验中采用平均水位，入射有效波高Hs＝1.5m。由图中可以看出，气室内压强值与前墙吃水也呈反比关系，前墙吃水深度越大，气室压强幅值越小，这是因为前墙吃水越大，气室内水面以上空间越小，在相同入射波的条件下，吃水水深越大，气室内外水体的联动性受制约，导致室内波高增幅减小，压强幅值减小。

综上所示，在相同入射波条件下，前墙吃水深度与气室内外水体的联动性呈反比关系，即，前墙吃水越小，气室内外水体的联动性越大，相对波高与气室压强越大；相反，前墙吃水越大，气室内外水体的联动性越小，相对波高与气室压强也越小。

4 沉箱气室的能量转换率

4.1 入射总能量

波浪是某种外力如风力等对静止水体作功以后引起的一种水质点运动形式，因而波浪本身也就具有能量，这种能量随着波浪向前传播而传播。一个波长范围内单宽波峰线长度的波浪势能EP由下式确定：

波浪动能是由于质点运动而产生，一个波长范围内单宽波峰线长度的波浪动能EK由下式计算：

在微幅波中，上式可近似地写为：

其中，根据势流理论可求得流体内部任一点（x，z）处水质点运动的水平分速u和垂直分速w分别为：

将式（12）、（13）代入式（11）并积分后得：

于是一个波长范围内的总波能为：

4.2 转换的能量

气室内气液相互作用，波浪能量转换为空气的动能。通过输气管，空气带动空气透平进行能量的第2次转换过程。2个输气管内空气的动能即为气室转换得到的能量。

因此，1个波长范围内的输气管空气动能为

式中：d—输气管管径，ρK—空气密度。

本装置为了平稳、高效地输出转换能量，在沉箱隔墙上设置了2个输气管，因此，1个波长范围内沉箱气室吸收转换的波浪能量为：

4.3 一次转换效率

沉箱气室内的第1次能量转换，即通过气液相互作用使气室内的入射波浪能经过反射、透射等转换成为空气动能的过程，对第1次能量转换的分析对于研究沉箱气室的发电效率具有十分重要的作用。由上述公式（15）和（17）可以看出，定义OWC波力发电装置的第一次能量转换效率η为：

将处理得到的实验值，代入上式求得不同工况下气室的一次转换效率，效率值见表2。

表2 装置一次转换效率值汇总表（模型值）Table 2 The total table of the first conversion efficiency of energy（The Model value）

从一次转换效率值一览表可以看出，模型试验中，入射波浪能经气室内水气相互作用，其转换效率范围为2.58%～28.29%。同时，转换效率随着入射周期的增大而增大，但随前墙吃水深度的增大而减小。在入射周期范围为5～8s时，前墙吃水深度为3.9m时，气室的转换效率最高，范围为7.05%～28.29%。而对于工作水位和入射波高下气室转换效率值，平均水位下和入射波高为1.5m的情况下气室转换效率值较大，范围为4.85%～25.39%。

5 结语

本文是在不规则入射波作用下，通过物理模型试验对沉箱防波堤兼作岸式波力发电装置的气室捕能效果影响因素进行的研究。

通过试验数据分析表明：入射波要素、工作水位、前墙吃水深度等因素对气室捕能效果影响较大。气室内波幅、压强幅值与入射波高、周期呈线性关系，入射波高、周期越大，气室内波幅、压强幅值越大。而前墙吃水深度对气室捕能效果产生反向影响，前墙吃水深度越小，气室内波幅、压强幅值越大。

通过物理模型试验对沉箱气室的能量转换率研究发现，气室在前墙吃水深度较低、入射周期较长的情况下，转换效率最高，这为沉箱防波堤兼作岸式波力发电装置的设计优化和工作海区的选择提供了依据。

［1］ 霍华德·格尔勒.能源革命：通向可持续发展未来的政策［M］.北京：中国环境科学出版社，2006：3.

［2］ 严恺，梁其荀.海岸工程［M］.（第一版）.北京：海洋出版社，2002：429－430.

［3］ 任建莉，钟英杰，张雪梅，等.海洋波力发电的现状与前景［J］.浙江工业大学学报，2006，34：69－73.

［4］ 中华人民共和国交通部.JT298－98中华人民共和国行业标准—防波堤设计与施工规范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

［5］ 中华人民共和国交通部.JTJ290－98中华人民共和国行业标准—重力式码头设计与施工规范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

Study on Capture Effect of Air Chamber of Caisson Breakwater as OWC Under Irregular Waves

SHI Hong－Da1，JIAO Jian－Hui1，LIU Zhen1，YANG Guo－Hua2
（1.The Key Laboratory of Ocean Engineering of Shandong Province，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Harbor Construction Project of Zhenjiang，Zhenjiang 212004，China）

Caisson breakwater as OWC is a new coastal engineering structure，which is designed above the similar features between caisson breakwater and onshore OWC wave energy convertor.Model test includes wave pressure test and energy capturing effect research.Energy capturing effect model experiment is carried out to obtain wave height in caisson chamber，and air pressure in caisson chamber，and air velocity in the duct.

caisson breakwater；onshore OWC wave energy convertor；physical model test；energy capturing；conversion efficiency

P208

A

1672－5174（2012）1－2－141－08

国家自然科学基金项目（40876047）；青岛市科技发展计划项目（09－1－3－41－jch）资助

2011－03－04；

2011－08－10

史宏达（1967－），男，教授。E－mail：hd＿shi＠ouc.edu.cn

责任编辑 陈呈超