一种OWC波浪能自供电海洋监测浮标

本发明涉及船舶与海洋工程中海洋浮标装备，具体涉及一种owc波浪能自供电海洋监测浮标。

背景技术：

1、随着海洋观测网络的规模化建设，海洋监测浮标作为离岸原位观测的核心载体，其在位运行时长、供电可靠性的需求持续提升。传统海洋监测浮标多采用“锂电池组+太阳能板”的供电方案，在高纬度海域、长阴雨季节及深水远海场景下，供电持续性不足，难以支撑传感器、通讯模块、定位系统的长期连续工作，且电池更换运维成本高、周期长。

2、振荡水柱（oscillatingwatercolumn，owc）装置是目前波浪能开发利用领域技术最成熟、商业化前景最广阔的技术路线之一。其核心工作原理为：入射波浪驱动气室内水柱上下往复振荡，压缩/膨胀气室内部空气，形成往复流动的高压气流，驱动空气透平旋转并带动发电机发电。由于owc装置的波能俘获系统无复杂运动部件，空气透平和发电机不直接与海水接触，因此具有结构简单、运行可靠性高、抗风浪能力强、建造和维护成本低等显著优势，已在全球多个国家和地区完成示范应用。

3、气室内部气压是决定owc装置能量转换效率的核心参数，其动态变化特性直接影响空气透平的输出功率、运行稳定性和使用寿命。同时，气室气压也是owc装置结构设计、气室-透平匹配分析和控制系统开发的关键输入参数。目前，owc气室气压的评估方法主要分为物理模型实验法和数值仿真法两大类：

4、物理模型实验法：通过在波浪水槽中制作缩尺模型，模拟不同波况下的气室气压变化。该方法结果直观可靠，但存在实验周期长、成本高、工况覆盖有限等固有缺陷。当装置结构参数变更时，需要重新制作模型并开展实验，无法满足工程设计阶段快速迭代优化的需求。

5、数值仿真法：主要包括计算流体力学（cfd）数值仿真和简化理论模型两种。其中，cfd数值仿真通过求解navier-stokes方程模拟浪-气两相流场，能够捕捉复杂的非线性流动现象，但计算量极大，对计算机硬件要求高，单工况计算通常需要3~8小时，且网格依赖性强。当气室几何参数发生变化时，需要重新划分网格并进行全流程计算，效率极低。而现有的简化理论模型多基于纯频域分析或忽略浪-气耦合效应的线性时域模型，无法准确表征水柱运动与气室气压之间的动态双向耦合关系，在非共振区或大振幅波况下预测误差显著，难以满足工程精度要求。

6、针对上述问题，中国海洋大学提出了一种改进的数值预测方法，其申请公布号为cn114297949a，申请号为202111410947.6，发明名称为《一种基于cfd模拟的振荡水柱装置全过程模型及其效率预测方法》。该专利申请通过在空气导管内设置动量源项区域模拟空气透平的阻尼作用，建立了owc装置气室-透平耦合系统的全过程cfd模型，实现了装置能量转换效率的预测。然而，该方法仍然基于传统的cfd时域数值模拟，未能从根本上解决计算效率低下的问题：其单工况计算时间仍需数小时，网格数量达到百万级，结构参数变更后需要重新进行网格划分和求解；同时，该方法的透平模型仅支持动量源项简化形式，无法直接集成实际空气透平的流量-压比特性曲线，难以直接应用于工程设计阶段的气室-透平匹配优化分析。

7、此外，现有部分研究尝试采用频时转换技术提高计算效率，但普遍存在数据预处理不规范、拟合阶数选择随意、系统稳定性无法保证等问题，且未形成标准化的工程实施流程，难以被广大工程技术人员掌握和应用。因此，开发一种兼顾计算效率与工程精度、操作流程标准化、易于工程应用的owc气室气压快速预测方法，对推动波浪能技术的工程化和商业化进程具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：本发明旨在提供一种owc波浪能自供电海洋监测浮标，本发明通过频域水动力分析与vectfit3频时转换技术，将owc气室气压预测效率，同时保证工程精度，兼容多种波浪能透平模型，适用范围广且效果稳定。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种owc波浪能自供电海洋监测浮标，其特征在于，包括浮标主舱体、owc气室结构、微型空气透平发电单元以及气压预测控制模块；所述owc气室结构集成于浮标主舱体下部，气室底部开设进水口与外部海水连通，气室顶部通过气道连接微型空气透平发电单元；所述气压预测控制模块内置浪-气两相耦合仿真模型，通过以下步骤预测气室气压动态特性，支撑浮标发电管控与结构校核：

4、s1、建立气室水柱的动力学简化模型：将气室内振荡水柱等效为与气室横截面形状一致的刚性活塞，基于owc装置实际几何尺寸完成气室-活塞系统的三维建模；

5、s2、水动力参数频域分析：通过水动力学分析软件ansysaqwa对所述气室-活塞系统进行频域仿真，获取z方向附加质量、辐射阻尼、波浪激励力幅值及其相位角的频率响应数据；

6、s3、时域系统辨识：利用vectfit3向量拟合算法，基于步骤s2获得的频域数据，分别拟合得到康明斯时域方程中辐射力与激励力的状态空间表达式；

7、s4、浪-气耦合时域仿真建模：基于步骤s3得到的状态空间模型，在simulink环境中构建包含气压动态耦合模型的康明斯时域方程仿真模型，输入目标波况参数，预测owc装置的气室气压时域变化曲线。

8、优选的，步骤s1具体包括：从owc装置设计图纸中提取气室内部长、宽、高，底部进水口的位置、形状与尺寸，气室壁厚及气室与外部水体的连接方式等关键几何参数；采用solidworks、catia或ansysdesignmodeler三维建模软件分别建立气室固定结构和可移动活塞的几何模型，其中活塞与气室壁面的间隙取0.005m~0.02m，即后续水动力分析网格的最小单元尺寸；建立气室底部进水口模型，确保开口面积和水流通道特征与实际一致，且建模时将活塞上表面与ansysaqwa默认的z=0水平面平齐；去除对水动力分析无影响的倒角、圆角、螺栓孔等细节特征，完成模型装配后以step、iges或x_t标准格式导出。

9、优选的，步骤s2具体包括：将三维模型导入ansysaqwa，提取所有结构的外表面并抑制原有实体模型；设置活塞质量为海水密度与活塞体积的乘积，气室结构设置为固定约束，活塞仅保留z方向运动自由度；划分面网格，全局网格尺寸取入射波最小波长的1/20~1/15，对气室进水口、自由液面附近及几何突变区域进行局部网格加密，加密区域网格尺寸为全局尺寸的，并进行网格收敛性验证，当相邻两次计算得到的附加质量和辐射阻尼的最大变化率小于2%时判定网格收敛；设置分析频率范围为0.3hz~3.5hz，频率间隔为0.05hz~0.1hz，配置输出参数为附加质量、辐射阻尼、波浪激励力幅值及相位角，启动求解器完成计算；提取方向水动力参数的频域数据，取频率大于2.5hz时附加质量的平均值作为高频收敛附加质量，检查并修正辐射阻尼中的非物理负值，将处理后的数据以csv格式导出。

10、优选的，步骤s3具体包括：基于步骤s2得到的附加质量、辐射阻尼和高频收敛附加质量构造辐射阻抗，基于波浪激励力幅值和相位角构造复数形式的波浪激励力；采用vectfit3向量拟合算法将辐射阻抗和波浪激励力分别拟合为有理传递函数，引入辅助函数将非线性拟合问题转化为线性最小二乘问题，通过迭代更新极点直至收敛；将收敛后的有理传递函数转换为标准的线性状态空间表达式，分别得到辐射力系统和激励力系统的状态空间矩阵。

11、优选的，步骤s3中，辐射阻抗的表达式为，其中为复数单位，为角频率，为频变辐射阻尼，为频变附加质量；复数形式波浪激励力的表达式为，其中为激励力幅值，为激励力相位角；有理传递函数的形式为，其中为拉普拉斯变量，为传递函数极点，为传递函数残差，为拟合阶数，取值为6~12阶，为函数高频渐进值；引入的辅助函数为，其中为辅助残差；迭代收敛条件为辅助函数的最大相对误差小于10。

12、优选的，步骤s3中，标准线性状态空间表达式由状态方程和输出方程组成，其中状态方程描述系统状态变量的变化率，输出方程描述系统输出与状态变量及输入的关系，所述状态空间表达式的四个矩阵分别为系统矩阵a、输入矩阵b、输出矩阵c和直接传递矩阵d。

13、优选的，步骤s4具体包括：建立包含气压耦合项的康明斯时域方程和绝热过程假设下的气室气压动态方程；依次构建波浪输入模块、激励力状态空间模块、辐射力状态空间模块、水柱运动动力学模块和气压动态模块，集成形成完整的浪-气耦合仿真模型；设置仿真参数，输入目标波况参数，运行仿真得到气室气压的时域变化曲线，提取气压峰值、平均值及波动特性参数。

14、优选的，步骤s4中，包含气压耦合项的康明斯时域方程为，其中为活塞等效水柱质量，为水柱z方向位移，为辐射阻尼核函数，为静水恢复系数，为气室横截面积，为时域波浪激励力，为气室相对气压；气室气压动态方程为，其中为气室绝对气压，为空气比热比，取1.4，为静水状态下气室气体体积，为透平流量，为气室泄漏流量；透平流量模型在验证阶段采用小孔泄流模型，其中为流量系数，为小孔面积，为空气密度，在工程设计阶段采用实际透平的流量-压比特性曲线。

15、优选的，步骤s4中，波浪输入模块支持规则波和不规则波输入，其中不规则波采用jonswap谱生成；仿真时间步长取0.01s~0.05s，仿真时长取20~50个波浪周期，确保系统达到稳态后再提取有效数据。

16、优选的，该方法适用于矩形、圆形、多边形任意横截面形状的固定式owc装置，可用于owc装置的结构优化设计、气室-透平匹配分析及不同波况下的性能快速评估。

17、本发明针对现有owc气室气压评估方法存在的计算效率低、工程实用性差、标准化程度不足等核心问题，提出了基于浪-气两相耦合的快速预测方法，通过动力学合理简化、频时转换技术和模块化耦合仿真，实现了计算效率与工程精度的良好平衡，具体有益效果如下：

18、1.本发明将传统cfd方法的三维全时域流场求解，解耦为"频域水动力参数提取+时域系统辨识+耦合仿真"三个阶段，单工况计算时间从现有cfd方法的3~8小时缩短至1~5分钟，计算效率提升两个数量级以上。当装置结构参数变更时，无需重新划分百万级三维网格和全流程求解，仅需重新进行一次频域水动力分析即可快速获得新的预测结果，大幅缩短了owc装置的设计周期，能够支持工程设计阶段的多工况参数扫描和快速迭代优化。

19、2.本发明基于线性势流理论和严格的数值处理规范，在工程设计最关注的水柱共振频率附近波况下，气室气压峰值预测误差稳定控制在10%~20%，平均值误差小于10%，完全满足owc装置初步设计、结构强度校核和气室-透平匹配分析的精度要求。误差主要来源于线性势流理论对粘性和非线性效应的忽略，属于工程可接受范围，且可通过引入简单的非线性修正系数进一步提高精度。

20、3.本发明明确规定了从三维建模、网格划分、数据预处理到仿真计算的全流程标准化操作规范：包括全局网格取入射波最小波长的1/20~1/15、局部加密区为全局尺寸的1/2~1/3、网格收敛性验证标准为附加质量和辐射阻尼变化率小于2%、拟合阶数取6~12阶、仿真步长取0.01s~0.05s、仿真时长取20~50个波浪周期等。工程技术人员无需掌握复杂的cfd理论和数值方法，按照规范流程操作即可快速完成气室气压预测，大幅降低了技术门槛。

21、4.与现有技术仅支持简化的动量源项或小孔泄流模型不同，本发明的仿真模型同时兼容两种透平模型：验证阶段采用小孔泄流模型简化实验装置，工程设计阶段可直接导入实际空气透平的流量-压比特性曲线，实现气室与透平的一体化匹配分析。该特性使得本方法能够直接应用于owc装置的工程设计阶段，而不仅限于科研验证。

22、5.本发明适用于矩形、圆形、多边形等任意横截面形状的固定式owc装置，通过在康明斯时域方程中增加浮体运动自由度，可直接扩展应用于浮式owc装置。除气室气压预测外，本方法还可进一步扩展用于计算owc装置的波能俘获效率、透平输出功率、年发电量等关键性能参数，并可与遗传算法、粒子群算法等智能优化算法结合，实现气室几何参数的多目标优化，以及与透平控制算法结合进行系统级性能优化。

23、6.本发明采用vectfit3向量拟合算法进行频时转换，该算法能够自动保证拟合得到的传递函数是因果稳定的，避免了传统频时转换方法可能出现的非物理极点和数值发散问题。同时，本发明明确要求对频域计算中出现的非物理负辐射阻尼进行线性插值修正，进一步提高了系统的数值稳定性和可靠性。