[论文解读] The Force of a Tsunami on a Wave Energy Converter

Laura O'Brien, Paul Christodoulides+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2012

Earthquake and Tsunami Effects参考文献 2被引用 8

一句话总结

本研究采用基于势流理论的线性三维模型，调查海啸对近岸波浪能转换器（WECs）产生的水动力载荷。结果表明，在线性假设下，海啸引起的固定平板载荷约为典型风暴浪载荷的1/100，表明近岸WECs可抵御海啸，但近岸区域的非线性效应仍需进一步研究。

ABSTRACT

With an increasing emphasis on renewable energy resources, wave power technology is fast becoming a realistic solution. However, the recent tsunami in Japan was a harsh reminder of the ferocity of the ocean. It is known that tsunamis are nearly undetectable in the open ocean but as the wave approaches the shore its energy is compressed creating large destructive waves. The question posed here is whether a nearshore wave energy converter (WEC) could withstand the force of an incoming tsunami. The analytical 3D model of Renzi & Dias (2012) developed within the framework of a linear theory and applied to an array of fixed plates is used. The time derivative of the velocity potential allows the hydrodynamic force to be calculated.

研究动机与目标

• 评估近岸波浪能转换器（WECs）在海啸载荷下的结构韧性。
• 评估线性水动力理论是否足以预测近岸WECs的海啸载荷。
• 将海啸引起的载荷与典型风暴浪载荷进行比较，以评估相对风险。
• 确定近岸区域线性与非线性波行为的转变点。
• 强调需进一步研究非线性效应，尤其是波浪爬高和多次波冲击的影响。

提出的方法

• 采用Renzi & Dias（2012）提出的3D线性势流模型，计算固定平板上的水动力载荷。
• 通过计算速度势时间导数（−ρΦt）在平板两侧的跃变，确定载荷。
• 利用格林定律模拟海啸在斜坡海底上的放大效应，关联波幅与水深变化。
• 引入无量纲参数（ε, δ, γ，Ursell数）以评估线性、非线性和色散效应的主导程度。
• 使用相同模型，将海啸载荷与10.9 m水深下典型3 m浪高（5 s周期）的风暴浪载荷进行比较。
• 采用VOLNA求解器进行数值模拟，研究多波冲击对干地暴露平板的非线性效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 海啸作用在代表近岸WEC的固定平板上的水动力载荷量级是多少？
• RQ2 海啸载荷与相同波幅的典型3 m风暴浪（5 s周期）载荷相比，其定量关系如何？
• RQ3 当海啸波接近海岸时，波浪在多深位置开始表现出显著的非线性行为？
• RQ4 多个海啸波，尤其是首次波退去后再次冲击的波，对WEC结构载荷有何影响？
• RQ5 线性理论是否足以准确预测近岸区域WEC的载荷？非线性效应在安全评估中是否至关重要？

主要发现

• 由海啸引起的18 m平板最大压力差约为3 × 10³ N/m²（0.03 bar），且与水深无关。
• 海啸引起的载荷约为典型3 m浪高（5 s周期）风暴浪载荷的1/100，后者最大可达3 × 10⁵ N/m²（3 bar）。
• 在31 m水深处，Ursell数增至约10⁴，表明非线性效应开始显著，标志着从线性到非线性波动力学的转变。
• 载荷在平板中心最大，边缘为零，且因海啸波长远大于水深，载荷在垂向无变化。
• VOLNA数值模拟表明，首次波退去后，第二波冲击仍暴露于干地的WEC可能产生显著的冲击载荷，甚至超过初始估算值。
• 海滩坡度与入射波长之间可能产生共振，导致波速增大，从而在非线性动力学下增加结构损坏风险。