综述：振荡水柱（OWC）波浪能转换器的进展、建模假设及可扩展性挑战：从实验室创新与海底相互作用到实际海况下的应用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Advances, modeling assumptions, and scalability challenges in oscillating water column (OWC) wave energy converters: From chamber innovation and seabed interactions to real-sea deployment

　　**Shajratul Alam Towhid | Amir Zanj**
**孟加拉工程技术大学（BUET）船舶与海洋工程系，达卡，1000，孟加拉国**

**摘要**
本综述介绍了振荡水柱（OWC）技术的最新发展。与提供历史概述的传统综述不同，本文重点关注了过去十年中进行的研究，特别强调了最新的创新以及2025年尚未解决的挑战。该研究专门分析了通过实验和数值研究在腔室几何形状和海底相互作用方面取得的最新进展，旨在提高波浪能量的捕获和转换效率。关键进展包括从仅关注性能的分析转向实际优化几何形状的创新，以及对单腔室、双腔室和多腔室配置的深入水动力研究。此外，还探讨了潘弗鲁特（pan-flute）型和亥姆霍兹（Helmholtz）型OWC的最新创新，以及引入插入物以克服涡流诱导和粘性损失的方法。最近的研究还强调了非传统腔室几何形状、优化的前唇壁设计、海底特性（孔隙率、阶梯状剖面、柔性壁）以及选择性优化的混合涡轮机配置在实现最佳水动力和空气动力性能及共振行为方面的潜力。带有适当涡轮机配置的双腔室和多腔室系统、具有自适应控制的可移动腔室、以及具有适当孔径大小的优化传统和非传统腔室几何形状，在实时性能提升方面显示出广阔的前景。本文进一步指出了现有研究中常见的和限制性的建模假设，以及这些假设在从实验室条件过渡到实际海况时可能对性能预测产生的影响。同时，还提出了一个综合的概念框架，以理解OWC创新背后的物理机制。总体而言，本文强调了腔室几何形状、海底相互作用以及基于OWC的波浪能量转换器整体集成方面的最新创新和挑战，为可持续的海洋可再生能源解决方案铺平了道路。

**引言**
随着全球对可持续和可再生能源需求的增加，基于海洋技术的研究已成为一个充满潜力的领域。波浪能量转换（WEC）系统由于具有巨大的能量捕获潜力，在各种海洋能源技术中受到了更多关注。海洋中储存了大量的未开发的动能和势能，且与其他可再生能源（如风能或太阳能）相比，波浪能量具有可预测性和稳定性[1]。根据国际可再生能源署的数据，海洋能源可以产生高达10太瓦的电力，这超过了全球的电力需求[1]。

在过去十年中，研究人员提出了新的波浪能量转换器（WEC）概念和设计。Drew等人将这项技术分为衰减器（attenuator）、点吸收器（point absorber）和终端器（terminator）[2]，这些技术又可进一步分为三类：振荡水柱（OWC）、振荡体系统（oscillating body systems）和溢流系统（overtopping systems）[3]。Rosati等人将OWC分为浮动型和固定型两种，并指出固定型OWC通常是单一结构（图1(a)）。他们还提到了两种固定型OWC：U型OWC和带通风口的OWC，后者通过单向涡轮机实现半周期能量提取[4]。图2展示了WEC技术的概述及其独特特性和可用性，包括点吸收器、衰减器、溢流装置和振荡水柱[5]。

在各种WEC技术中，振荡水柱（OWC）概念因其独特特性而受到最多关注。OWC设备具有结构简单、无水下运动部件的特点，并且可以与沿海和海上基础设施集成[6][7][8][9]，这些是它们被广泛接受和实施的关键原因。OWC的工作原理基于水柱在腔室内的波浪诱导振荡，这些振荡驱动双向气流通过涡轮机发电[10]。这种配置不仅减少了维护需求，还在恶劣的海洋环境中提高了设备的耐用性。这些独特特性使OWC系统成为最具前景的可扩展波浪能量提取技术之一[8,10,11]。然而，OWC的效率并非在所有情况下都表现良好，它对入射波与腔室自然频率之间的共振条件非常敏感。当波频偏离共振频率时，效率往往会显著下降。这些限制限制了其在实际海况下的性能。

在过去十年中，OWC技术的研究方向和关注点发生了变化，重点逐渐从传统的仅关注性能的评估转向先进的腔室设计创新和水动力优化[12][13][14][15][16]。具体的几何修改包括流线型前壁、下唇几何形状、垂直板、导向叶片等，以减少涡流诱导损失。通过将更多波浪能量引导到腔室中来提高捕获宽度比也是这些先进几何修改的主要目标[17]。同样，双腔室和多腔室OWC作为效率提升的主要发展方向出现，与传统单腔室设备相比，它们提供了更宽的频率带宽和更好的适应性。最近的研究表明，适当的自整流空气涡轮机配置（如Wells涡轮机[19]、冲击涡轮机[20]及其变体[21]、横流空气涡轮机[22][23][24]、双转子涡轮机[25]等）可以进一步提高单腔室和多腔室OWC的能量转换效率。气流的同步和适当腔室-涡轮机配置的相位差调整可以显著提高效率。海底相互作用也被认为是影响OWC性能的关键因素之一。海底的不同特征（包括多孔海底、阶梯状剖面和柔性底部结构）会影响波浪-结构相互作用，从而改变水动力效率和共振行为。将海底效应纳入腔室几何设计有助于预测最佳性能，为OWC设备的实际应用铺平道路。

尽管取得了这些进展，但实现一致的高效率、降低成本和大规模商业化等挑战仍然存在[26][27][28][29][30]。过去十年中，研究主要依赖于孤立的水动力或空气动力学分析，并强调了需要统一耦合模型来整合腔室几何形状、气流、涡轮机动力学和海底效应。在过去二十年中，许多综述论文也研究了OWC技术，内容涵盖了腔室侧水动力学和几何优化[5,31]、涡轮机空气动力学、气流优化和涡轮机-发电机调谐机制[32][33][34]、OWC与不同几何形状的陆上和海上固定结构的集成[35,36]，以及整个系统的性能和控制策略[37]。尽管这些综述在OWC技术领域做出了宝贵贡献，但它们往往过于宽泛或过于专门化。要么它们涵盖了多种WEC技术但缺乏深度，要么仅关注整体腔室性能、涡轮机子系统或结构方面（如与防波堤的集成、不同类型的风力涡轮机结构或其他特定几何形状）。重要的是，根据作者的研究结果，没有综述系统地综合了腔室方面的最新进展和未解决的挑战，特别是优化几何形状、单腔室和多腔室配置、亥姆霍兹型设计、潘弗鲁特型配置以及非传统形状的几何形状。关于海底-结构相互作用的研究也非常有限。

为了解决这些不足，本研究重点关注了腔室几何形状和海底相互作用方面的最新进展和挑战，特别是2025年进行的研究。它系统地分析了单腔室、双腔室和多腔室系统，比较了传统和非传统腔室几何形状及开口优化方面的最新创新，以提高水动力和空气动力效率、海底相互作用，以及与防波堤和其他结构的集成效益。此外，它还指出了未解决的挑战，并强调了未来研究的潜在方向，特别是在亥姆霍兹型、潘弗鲁特型和腔室开口方面。该研究还指出了腔室设计和涡轮机配置联合优化的必要性。总体而言，该研究不仅代表了最新的发展，还为OWC技术向大规模实际应用迈进提供了路线图，以实现更高的能量捕获效率。

**章节摘录**
**OWC腔室几何形状的挑战和性能参数：关键的水动力和空气动力因素**
OWC系统的效率取决于腔室和涡轮机-发电机系统的个别效率。影响设计配置的因素包括位置、波浪条件、设备大小和容量以及所需的能量生产能力等。几十年来，有许多研究关注腔室形状、阵列可能性、空气涡轮机的大小和类型、控制系统、设备相对于……的位置和方向等。

**过去十年的研究**
在过去几十年中，对双腔室和多腔室OWC进行了大量研究。这些研究显示，研究重点逐渐从基础的水动力可行性评估转向系统级优化和混合集成。早期的研究主要集中在比较单腔室和双腔室配置，并强调了数值模型的验证。随着研究的进展，重点转向了共振调谐和阻尼优化。

**潘弗鲁特型振荡水柱**
为了克服单腔室OWC或传统双腔室和多腔室OWC的局限性，Hu等人（2025年）设计了一种潘弗鲁特型多腔室OWC（M-OWC）。在这种设计中，每个腔室具有不同的吃水深度，从而为每个腔室提供了独特的自然共振频率。这一独特特性使其能够捕获更宽范围的波浪周期和频率的波浪能量，使其比传统OWC更高效。

**U形和L形OWC的比较性能**
L形[86][87][88][89][90]和U形[91][92][93][94]腔室是两种特殊几何形状，用于实现更高的效率。有许多研究通过单独的几何优化来分析这两种形状的性能，但仍然缺乏比较分析，以确定哪种形状的性能更好。为了比较L形和U形OWC腔室设计在性能和效率方面的差异……

**具有非传统腔室几何形状的OWC**
为了找到最稳定和高效的空气流动设计，从而有效驱动Wells涡轮机，Ordonez等人（2025年）进行了三项研究，比较了三种腔室形状：圆柱形、倾斜圆柱形和矩形[99]。他们应用CFD模拟来理解水动力响应并优化腔室内的空气压缩。他们的主目标是找到哪种腔室设计能够提供最佳的空气流动，从而提高涡轮机性能。

**前唇壁优化和性能分析**
由于OWC设备的前唇壁是入射波首先相互作用的部分，因此它是影响OWC性能的重要组件之一。在进入腔室之前，从波浪传递的能量会经历一些能量损失。之后，剩余的能量从腔室水传递到腔室空气。许多研究致力于确定前唇壁的最佳几何形状和性能分析。

**亥姆霍兹型振荡水柱（H-OWC）**
当设计用于低频波浪时，传统OWC会变得非常大，有时甚至比八层建筑还要高[109]。这些大型OWC成本高昂，移动困难，特别是在浅水中安装困难。为了减小OWC的尺寸，提出了各种几何形状和结构。大多数设备的形状对其固有频率没有影响。Malara和Arena（2013）[110]、Bocotti（2007a）[111]以及Malara等人（2017）[110]提出了不同的设计。

**多孔海底**
OWC设备部署的海底特性对其性能至关重要，尤其是对腔室的影响。由于多孔海底会导致波浪阻尼，从而直接减少了可转换的能量。许多研究致力于理解多孔海底引起的阻尼性质以及OWC腔室内实际波浪能量的潜力。Gu和Wang（1991）进行了一项研究，模拟了颗粒状多孔海底与波浪的相互作用。

**代表性全尺寸开发和海上试验验证**
中国领先的研究机构在振荡水柱（OWC）系统方面取得了大量研究成果。这些贡献尤为重要，因为它们填补了实验室规模优化与全尺寸海洋应用之间的空白。这一问题在第3节到第9节的研究中被视为一个关键限制因素。其中一个最值得注意的发展是WaveLoong气动反向弯曲导管浮标（BBDB）振荡水柱（OWC）系统。该系统由清华大学开发，属于OWC创新的综合概念框架的一部分。其他相关章节包括：第2节讨论了OWC面临的挑战和性能参数，以及OWC腔体几何形状的关键流体力学和空气动力学因素；第3节介绍了传统双腔和多腔OWC的最新发展；第4节探讨了PAN-FLUTE型振荡水柱；第5节比较了U形和L形OWC的性能；第6节研究了具有非传统腔体几何形状的OWC，如圆柱形、倾斜圆柱形和矩形腔体；第7节关注了前唇壁的优化和性能分析；第8节讨论了HELMHOLTZ型振荡水柱（H-OWC）以及建模假设对性能预测和可扩展性的影响。

在第3节到第8节中，讨论了与相应研究相关的不同建模假设。然而，为了理解这些假设在实际海洋应用中对性能预测的影响，并找出最具限制性的因素，需要进行综合分析。最近的研究[81,95,123]以及[[74], [75], [76], [77], [78], [79], [80]]表明，这些简化方法虽然能够实现高效的数值分析，但也会引入重要的限制。

在OWC系统中，通常使用几个无量纲性能参数。然而，不同研究对这些参数的定义有时并不一致。为了清晰起见，需要总结主要的性能指标。尽管不同研究中的定义略有差异，但以下表达式代表了OWC性能评估中最常用的公式：
- 捕获宽度比（CWR）：最广泛使用的效率指标是捕获宽度比，其计算公式如方程1所示。

Cui等人在2023年[122]和2025年[123]的研究中提出了带有插入物的腔体几何形状的新概念。在H-OWC中，由于狭窄的颈部开口，会发生强烈的涡流脱落和粘性损失。引入插入物可以通过有效扩大流道来减少这些损失，同时保持相同的共振行为。但这些损失并未完全消除，尤其是在接近共振峰值时仍然显著。因此，需要更多关于插入物形状的研究。

本文系统地介绍了振荡水柱（OWC）技术的最新发展。它强调了过去十年中，研究是如何从基于性能分析的调查逐步发展到新的实验原型、混合配置以及能够解决湍流的数值模型的，同时考虑了包括不规则海况、数据驱动的优化方法、快速计算框架等实际挑战。

作者声明：
Shajratul Alam Towhid：概念化、文献综述、方法论、研究设计、正式分析、批判性分析、初稿撰写、审稿与编辑、验证、可视化。
Amir Zanj：批判性分析、审稿与编辑、可视化。

利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所报告的工作。