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Yang Zhang
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Hydrodynamic performance of multi-chamber oscillating water columns in a caisson array

Yang Zhang et al.Jun 26, 2024
A theoretical model based on the linear potential flow theory and eigenfunction expansion-matching method is developed to analyze the interaction between water waves and multi-chamber oscillating water columns (OWCs) embedded in a caisson array. The semi-analytical solution consists of the diffraction and radiation components of periodic OWCs. The velocity singularity at the tip of the OWC chamber walls is resolved by implementing a Chebyshev polynomial expansion. The unknown expansion coefficients are determined by the continuity equations of velocity and pressure at the interface of subdomains. The semi-analytical solution is verified using the Haskind relation and the conservation law of wave energy flux. It is found that multi-chamber OWCs have higher hydrodynamic efficiency over a broader frequency bandwidth than traditional single- and dual-chamber OWCs. The maximum hydrodynamic efficiency η increases with increasing of chamber number (J), from 0.5 (J = 1) to nearly 1.0 (J = 8 and 12). It is also found that a larger incident wave angle leads to a narrower frequency bandwidth for energy capturing. Increasing the incident wave angle from π/3 to 5π/12 results in a decrease of the first cutoff frequency kc from 2.41 to 2.02, and therefore results in the energy capture bandwidth narrowing accordingly. Both constructive and destructive hydrodynamic interactions between caissons array and OWCs are observed. Interestingly, when configuration of the OWC chambers is reversed, the transmission coefficient remains unchanged.
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Hydrodynamic performance of a pile-supported oscillating water column breakwater in front of a partially reflecting seawall

Yang Zhang et al.Jul 1, 2024
Integrating wave energy devices with breakwaters can offer an innovative and sustainable approach by combining wave power extraction with wave attenuation. The performance of this integrated system in offshore areas is influenced by the unique characteristics of the coastline. In this paper, a semi-analytical solution was developed using the matching eigenfunction method for the oscillating water column device integrated into a pile-supported breakwater in front of a partially reflective seawall. The model was validated through the energy conservation law, the Haskind relationship, and experimental data. Detailed examinations were conducted on the effects of the seawall's reflection coefficients, the distance between the system and the seawall, the wall draft, and the chamber breadth on hydrodynamic performance. Results show that the presence of the seawall significantly influences hydrodynamic coefficients (hydrodynamic efficiency, reflection coefficient, the relative transmitted amplitude, etc.), accompanied by the piston and sloshing mode resonances inside the chamber and the confined area between the system and the seawall. Due to energy dissipated by a partially reflective seawall, the magnitude of those hydrodynamic coefficients is mitigated, together with the piston and sloshing mode resonances inside the air chamber. The cancellation of the sloshing mode resonance inside the confined area is observed for the smaller seawall's reflection coefficient. The maximum and minimum hydrodynamic efficiency occur when the system is arranged at the wave nodes and antinodes of the formed standing wave field. Lower wave reflection and better wave power extraction can be achieved by properly adjusting the chamber drafts and breadths.