综述：“后弯导管浮标”的物理模型试验：综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Physical model tests of Backward Bent Duct Buoy: A review

本文系统综述了反向弯曲导管浮标（BBDB）的物理模型试验研究，分析102篇文献得出BBDB最优波长与设备长度比为2.2，不规则波下效率下降32%，喷嘴比最佳值接近1.0%，并发现水槽宽度变化影响能量捕获特性。此外整合了多个海上试验案例，为后续设计优化提供基础。

　　BBDB作为一种特殊的振荡水柱波能转换装置，自1986年提出以来，因其在提升效率和实用性方面的潜力而受到越来越多的研究关注。研究者们从不同角度对BBDB进行了探讨，并提出了多种设计改进方案。然而，截至目前，针对BBDB及其变体的物理模型试验方面的系统性综述仍较为匮乏。这种缺乏结构化总结和统计分析的情况可能导致研究主题不够清晰，结论也显得零散。因此，本文旨在系统地总结和分类以往涉及BBDB物理模型试验研究中的主要监测指标（依赖变量）和研究特性（独立变量）。通过统计分析102篇文献中的数据，本文识别出了一些关键模式和设计启示，例如最佳波长与装置长度之比约为2.2，不规则波条件下平均效率降低32%，最佳喷嘴比例集中于1.0%，以及波浪水槽宽度变化时的能量捕获行为与传统OWC有所不同。此外，本文还收集了BBDB海上试验的相关信息，以连接模型尺度结果与实际工程性能。这项工作为研究社区提供了坚实的基础，有助于未来的研究和设计优化，突出了已有研究的全面总结以及未来仍需进一步探索的领域，如运动的解耦与耦合效应、涡轮与孔口性能差异、变量敏感性评估以及阵列相互作用等。

在覆盖地球表面超过70%的海洋环境中，波浪能作为一种丰富的可再生能源，其蕴藏量约为2.11太瓦（TW）。波浪能的诸多优势，如全球分布广泛、能量密度相对较高、可再生性和可持续性等，始终吸引着研究人员探索高效的方法，将其转化为可用的能量形式。最早的波浪能转换装置（WEC）专利可以追溯到1799年，而第一次记录的利用波浪能进行发电的实践发生在1910年。20世纪后半叶，WEC的概念逐渐从萌芽阶段走向成熟，并开始获得越来越多的研究关注。各种不同能量捕获机制的原型被提出，如振荡水柱（OWC）、点吸收器、潜没压差、筏式装置、摆式装置、点头鸭、越浪式、柔性管、内部旋转器等。其中一些装置已经成功进入商业化运营阶段，而许多则因为开发过程中遇到的困难，如可靠性不足和效率低下，其发展被无限期地搁置。这些设备通常依赖于相对运动来捕获能量，因此需要一些组件来限制相对运动的部件，如铰链和轴承用于旋转体，导轨和滑块用于线性运动体等。这些组件对于能量转换至关重要，但由于应力集中效应和恶劣的海洋环境，它们往往成为最容易损坏的部分，导致快速疲劳和较高的故障率，进而影响设备的长期可靠性。

此外，一些能量捕获装置被限制在单一自由度下运行，例如仅垂直运动的波浪能转换装置。这种设计固有的限制带来了两个关键问题：一是能量吸收能力不够理想，二是操作共振带较窄。因此，即使是最微小的设计参数偏差，也可能导致能量转换效率的大幅下降。在众多WEC技术中，OWC系统已经成为一个重要的研究方向。传统的OWC装置通常包含一个底部与海水相通的柱状结构，顶部则形成一个封闭的空气腔，通过海面的周期性波动推动空气在腔内形成高压和低压。空气压力驱动空气涡轮产生往复气流，涡轮连接外部大气与空气腔。作为气动装置，OWC能够通过空气作为能量传输介质，将发电组件（如空气涡轮和发电机）与海水隔离，从而减少负载并提高设备的可靠性。此外，其整体设计不包含潜没运动部件，增强了结构的实施性和耐久性，相比依赖水下相对运动的设备，可能延长使用寿命。

然而，传统OWC的能量捕获效率相对较低，这促使研究人员开发浮动变体，以优化内部水柱与浮体动力之间的耦合。BBDB正是这样一种接近工业化的解决方案，它在提升效率的同时，兼顾了OWC的可靠性。BBDB由Yoshio Masuda于1986年提出，他也是1940年代第一台OWC装置的发明者。BBDB具有独特的L形导管结构，其垂直导管在背风侧转向水平方向，并在末端敞开。主要浮力舱位于这一水平导管上方，有时还会在面对波浪的板上增设一个次级舱以增强纵向稳定性。能量捕获主要通过两种协同机制实现：一是导管口处由波浪引起的水流运动，二是当BBDB被松散系泊时，其动态响应能够增强水柱的振荡，从而提高能量捕获效率。这种双耦合机制使得BBDB在能量转换性能优化方面优于传统OWC。

自BBDB提出以来，其在效率和可靠性方面的巨大潜力吸引了越来越多的研究投入。一系列针对BBDB或其变体的物理模型试验已经在波浪水槽或波浪池中进行。物理模型试验的结果通常被认为更为可靠，而由其他方法（如数值模拟）得出的试验结果则需要通过物理模型试验进行验证。在海上试验原型的开发过程中，物理模型试验通常是进入详细设计阶段之前的必要环节。因此，本文对BBDB的物理模型试验进行了系统总结，主要通过分类监测指标（如能量转换效率、波浪特征、设备运动状态等）和研究特性（如波浪条件、有意修改的模型形状和参数等）来实现。

BBDB的物理模型试验研究涵盖了多种监测指标，这些指标通常作为试验中的依赖变量。例如，能量转换效率是评估BBDB性能的核心指标，包括主转换效率（CWR）和总效率（波浪能转换为电能的效率）。此外，波浪特征如波高、波周期和波浪谱也是重要的监测参数。设备运动状态如浮体的运动幅度、导管口的水流速度以及空气涡轮的转速等，也常被用于评估BBDB的性能表现。这些监测指标不仅帮助研究人员理解BBDB的工作机制，也为优化设计提供了数据支持。

在BBDB的物理模型试验中，研究特性通常作为独立变量，包括波浪条件、模型形状和参数的修改等。例如，研究人员会改变波浪的波高和周期，以观察这些变化对BBDB能量捕获效率的影响。此外，模型的形状和尺寸也会被调整，以测试不同设计对性能的影响。一些研究还探索了BBDB的系泊方式，如松散系泊或紧系泊，以分析其对设备运动和能量转换效率的影响。这些研究特性为BBDB的性能评估提供了多种变量组合，帮助研究人员更全面地理解其工作原理。

除了物理模型试验，BBDB的海上试验也在不断推进。海上试验可以被视为一种特殊的大规模物理模型测试，它不依赖于实验室波浪水槽，而是在真实的海洋环境中进行。因此，本文简要介绍了几个BBDB的海上试验案例。目前，日本、中国、印度、爱尔兰、美国等国家的研究机构或公司已经成功将BBDB推进到海上试验阶段。然而，一些BBDB海上试验装置的拥有者可能并未公开其试验结果，这使得部分信息仍然不透明。海上试验的结果对于验证物理模型试验的结论至关重要，它能够提供实际海洋环境下的性能数据，帮助研究人员更好地评估BBDB的工程可行性。

通过系统总结和分类，本文揭示了BBDB物理模型试验研究中的关键发现。例如，最佳波长与装置长度之比约为2.2，这表明在这一比例下，BBDB能够实现较高的能量捕获效率。此外，在不规则波条件下，BBDB的平均效率降低约为32%，这表明其在实际波浪环境中仍面临一定的性能挑战。最佳喷嘴比例集中在1.0%，这表明在这一比例下，BBDB能够实现最佳的能量捕获效果。同时，BBDB的能量捕获行为在波浪水槽宽度变化时表现出与传统OWC不同的特性，这提示研究人员需要进一步探索BBDB在不同海洋环境下的适应性。

除了这些关键发现，本文还指出了一些尚未充分研究的领域，如运动的解耦与耦合效应、涡轮与孔口性能差异、变量敏感性评估以及阵列相互作用等。这些领域对于进一步优化BBDB的设计和性能具有重要意义。例如，运动的解耦与耦合效应可能影响BBDB的能量捕获效率，因此需要进一步研究其动态响应机制。涡轮与孔口性能差异可能与空气流动的特性有关，因此需要探索其对能量转换效率的影响。变量敏感性评估有助于确定哪些参数对BBDB的性能影响最大，从而为优化设计提供依据。阵列相互作用可能涉及多个BBDB装置之间的协同效应，因此需要进一步研究其在实际应用中的表现。

综上所述，BBDB作为一种特殊的波浪能转换装置，其研究涵盖了多个方面，包括物理模型试验和海上试验。通过系统总结和分类，本文为研究社区提供了坚实的基础，有助于未来的研究和设计优化。同时，本文也指出了尚未充分研究的领域，为后续研究提供了方向。这些研究不仅有助于提高BBDB的性能和可靠性，也为波浪能转换技术的发展提供了新的思路。