振荡流中圆柱体横流涡激振动特性数值分析

王坤鹏， 迟庆海， 张一兆

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

海洋立管是连接海底和海洋平台的细长柔性结构。在来流作用下，立管两侧的涡脱落将导致立管在横流和顺流2个方向产生涡激振动，当涡脱落频率和立管振动频率锁定时，涡激振动会被放大，从而加剧立管的疲劳破坏。因此，有必要对涡激振动问题开展深入的研究。

回顾过去近半个世纪的时间里，对于涡激振动的研究已经取得了诸多成果，具体可参阅文献[1-4]。弹性支撑圆柱体是研究涡激振动的典型结构，许多学者采用该结构开展了圆柱体单自由度[5-6]和双自由度[7-8]的涡激振动实验研究。随着计算机和计算流体力学(CFD)方法的不断发展，越来越多的学者开始关注基于CFD的涡激振动研究，该方法直接求解N-S方程，可以有效捕捉流体力和涡脱落模态等[9-12]。

在实际海洋环境中，波浪和顶端平台运动带动立管与流体之间产生的相对振荡流会导致涡激振动的产生。Sumer等[13]、Kozakiewicz等[14]和王俊高等[15]采用实验的方法对振荡流中圆柱体的涡激振动特性开展研究，发现了间歇性振动和模态跃迁等现象，推动了振荡流中涡激振动数值研究的发展。邓迪等[16]采用切片法对王俊高的实验模型进行了数值模拟，有效捕捉到了振荡流中涡激振动的现象。邓跃[17]选取KC数为0.56和2.51的振荡流，研究了均匀流和振荡流叠加下圆柱体的涡激振动，分析了圆柱体的振动幅值和锁定区间。Zhao等[18]研究了振荡流KC数为10和20时圆柱体的涡激振动，发现当最大折合速度小于8时，单一频率振动，而当最大折合速度大于8时，多频率振动，且振动周期会受到涡脱数量和方向的影响。……