基于响应面分析的行波式能量吸收装置的参数优化

针对行波式能量吸收装置，其能量吸收效率受多种因素影响。为优化其性能，本研究对单个行波板进行了建模与仿真分析。运用响应面法，以无量纲波幅、无量纲波速及波数为变量，能量吸收效率为响应目标，进行了参数优化设计。结果显示，各因素对能量吸收效率的影响程度依次为：无量纲波幅、无量纲波速、波数。经过响应面优化，得到最优参数组合为无量纲波幅0.111、无量纲波速0.601、波数4.518，此时能量吸收效率可达84.27%。为进一步验证优化参数的有效性，进行了数值模拟对比，结果显示响应面预测值与数值计算值之间的误差仅为0.821%，从而验证了响应面模型在行波式能量吸收装置优化设计中的有效性。

风能作为一种无尽且可再生的清洁能源，对于降低人类对化石燃料的依赖具有显著意义[1]。然而， 传统的流体机械存在灵活性不足和效率不高的问题，这凸显了探索新型能量吸收方法的紧迫性。通过研究和开发新型技术，我们可以更有效地利用风能，为可持续发展作出贡献。

自然界的动物，为适应多变且复杂的环境，经过漫长的自然选择过程，逐渐演化出高效且机动性强的各种运动模式[2]。这些模式不仅体现了动物的生存智慧，也给人类探索更高效的机械系统和运动方式提供了灵感。Lighthill [3]将用于分析飞艇船体空气动力学的“长体理论”(Sender-Body Theory, SBT)引入鱼类波状摆动推进的分析中，提出了“细长体理论”(Elongated-Body Theory, EBT)。在同一时间，Wu [4]将鱼体简化为二维平板，采用线性无粘流动以及振动可变形翼型的一般理论求解了任意非定常前进速度下游动的二维柔性板的一般问题，提出了二维波动板理论(2 Dimensional Wave Panel Theory, 2DWPT)。

Lighthill [5]将“细长体理论”进行了拓展，使之可以预测任意振幅、规则或不规则的鱼体与水之间的反作用力，提出了“大振幅细长体理论”(Large-amplitude Elongated-Body Theory, LEBT)。基于这个理论， 童秉纲[6]和Cheng [7]将扁平鱼类的波状游动简化为一块具有任意形状的无限薄柔性平板作波状摆动推进， 从鱼类形态与其生存环境的适应性角度出发， 建立了半解析–半数值的三维波动板理论(3 Dimensional Wave Panel Theory, 3DWPT)。Li [8]等人采用网格变形技术，将鱼的行波简化为二维变形板的运动，以此进行水动力性能的数值模拟。在研究中，他们分析了波长、线性波幅、波频等主要参数对水动力性能的影响，并得出了平均推力系数和推进效率，以及随不同参数变化的压力曲线。

鱼类在水中游动，将能量传递给水，产生反卡门涡街，以此获得向前的推力。童秉纲[9]等人在研究三维波动板的推进性能时发现，只有当无量纲相速度大于1 时，波动板才会获得向前的推力。近年来， Huang [10]等经过研究发现，当行波运动的相速度大于来流速度时可以产生推力，此时，做行波运动的柔