目前黏性方法的最大劣势在于对计算要求太高，尤其是对于风浪联合发电系统，当波浪能装置个数增加时，网格数量增加，计算效率急剧降低.因此，通常应用黏性方法分析极限海况下(大风大浪)风浪联合发电系统的生存能力.

3 实验与优化控制

波浪能实验技术目前比较成熟，主要在波浪水池中完成，如Chen 等[51]开展双共振点吸式波浪能装置的水动力实验；Xu 等[52]开展了双浮体点吸式波浪能装置在正常工况和极端海况下的水动力实验.物理模型均根据傅汝德数相似选取缩尺比.

海上风机实验主要在风浪流等多功能水池进行.由于同时涉及到海上结构物的水动力和风机的气动力问题，使得物理模型实验面临诸多挑战[53].近年来，针对海上风机，开展了一系列实验，但仍存在很多不足，始终处在探索阶段.Nielsen 等[54]基于1:47 缩尺比，在Marintek对5 MW Spar 式漂浮式风机进行了水池模型试验.Cermelli等[55]在WindFloat 平台的第一阶段进行了1:67 缩尺比的模型试验.由于傅汝德数缩尺比下雷诺数不匹配的影响，导致模型叶轮轴向推力值比目标值小，于是用圆盘来代替叶片以得到足够的叶轮推力.这种方法只考虑了叶轮轴向推力，忽略了风机其他空气载荷的试验策略，为不匹配低雷诺数下的浮式风机水池模型试验提供了一个解决的参考方法.Shin[56]在Ocean Engineering Wide Tank 开展了OC3-Hywind 浮式风机的1:128 模型试验，并且使用了模型叶片，取代了前人使用的推力圆盘.近来，University of Maine 开展了一系列基于1:50 缩尺比的浮式风机水池模型试验，包括Spar 型、半潜型和TLP 型[57-59].Huijs 等[60]在荷兰MARIN水池开展了GustoMSC Tri-Floating concept 浮式风机1:50 的模型试验，提出了在傅汝德缩尺的模型风速下具有更好的Ct和Cp空气动力性能的新模型叶片，且该试验中应用了控制并进行了相关阐述.

风浪联合发电装置实验与海上风机实验相同，主要在风浪流等多功能水池进行.由于和海上风机模型实验面临的挑战相似，目前对风浪联合系统开展的模型试验相对较少.挪威科技大学提出了STC(spar tours combination)[33]、SFC(semisubmersible wind energy and flap-type wave energy converter)[34-35]风浪联合发电系统的概念，并在MARINTEC的拖曳水池中开展了缩尺比的模型试验，其中风机采用轴向推力相似的原则进行设计.与海上风机模型实验相同，风浪联合发电系统中的风机模型需要根据雷诺数相似进行重新设计，或者采用其他新型的实验技术解决傅汝德数和雷诺数不匹配的问题.

联合发电系统的优化与控制对提高波浪能装置浮体水动力的能量转化效率起着决定性的作用，特别是在不规则变化的风浪环境中.同时，浮体对波浪能的有效吸收及拦截将大大减少周边海上风机的水动力载荷.浮体控制的基本工作原理如下.发电系统中的波浪能动力输出装置在转化波浪能为电能的同时，对与其耦合的浮体施加了一个作用力(控制力)，以协调浮体的动态响应.为了使浮体更有效地吸收入射波中携带的能量，浮体应在控制力的协调下产生特定理想运动，以拦截入射波的传播.据Falnes[61]基于线性势流理论的推导，浮体的特定理想运动需满足两个基本条件以达到能量吸收最大化：(1)浮体的速度需与入射波对浮体施加的压力成相同的振荡相位，这意味着浮体与入射波形成共振；(2)浮体振荡产生的顺流辐射波与入射波所抵消.

在实时变化的风浪环境下，以上最优能量吸收控制理论在实际控制系统中的实现面临着以下科研挑战：(1)为使浮体与频率实时改变的入射波形成共振，波能动力输出装置需实现“反应式控制”，从而兼具发电机与驱动器的功能，这将大大提高装置的制造难度及成本[61]；(2)出于不规则波的随机变化特性，入射波对浮体的施力情况需要进行预测[62].其预测结果的精度对控制效果有着直接影响[63]；(3)此控制理论基于线性水动力模型，对高海况下的非线性模型并不适用[62]；(4)浮体需要在至少两个自由度下振动(垂荡+纵荡或纵摇)，才能更有效地吸收入射波能[64].在多浮体情况下(常见于风浪联合发电系统阵列)，所需控制的自由度成倍数增长且相互耦合，这将大大增加控制系统的复杂性及造价[61].

基于以上诸多技术难点，现阶段更具应用潜力的科研方向为更实现为简单有效的次优控制[65].以控制方式为例，“被动控制”系统比“反应式控制”受到业绩学者更为广泛的关注[62].“被动控制”系统又可分为“相位控制”与“被动载荷”.“相位控制”旨在强制浮体系统与入射波形成共振，通常由机械制动系统实现，其在理想状态下能量转化效率接近“反应式控制”的效率.然而“相位控制”的非线性特征及控制鲁棒性需要进行更深入的研究认证，以实现更高的应用价值[66].另一方面，“被动载荷”只考虑发电装置与水动力阻抗的实时匹配，在机理上简单可靠容易实现.然后，“被动载荷”的发电效率与对浮体的可控性远低于“反应式控制”与“相位控制”，这很大程度地限制了其应用价值[62].

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2020/1228/452.html

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