低雷诺数下圆柱强迫振动特性光滑粒子流体动力学模拟

赵宇蒙，温鸿杰，任 冰，王 超

(1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2. 中国建筑股份有限公司，北京 100029；3. 华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641)

海流绕过海底电缆等管线类结构物流动时，柱体两侧发生交替泻涡现象，诱发结构物周期性振动，进而导致结构物疲劳损坏。前人研究发现，同等条件下柱体强迫振动和涡激振动时受到的流体力比较接近[1]。因此，开展柱体强迫振动问题研究，对于明确流致涡激振动特性具有重要的借鉴意义[2-3]。

目前，多位学者针对均匀流中的柱体强迫振动问题开展了大量的研究工作。其中，比较典型的工作如：1964年Bishop和Hassan[4]首先试验发现，当外界激励频率近似等于柱体自然泻涡频率时，结构所受到的升力急剧变大，同时升力与结构位移间的相位角也会出现跃变现象。Sarpkaya[5]将升力分解为两个分量，即惯性力和拖曳力，其中惯性力与振动加速度同向，拖曳力与振动速度同向。当与结构运动同相位时，拖曳力为激励力，流体向结构输送能量；反之，则表现为阻尼力，流体消耗结构能量。

在柱体强迫振动问题的研究中，除了结构受到的升阻力及其与结构位移间的相位差变化特性，振动过程中的频率锁定现象以及结构物下游的泻涡模式，也是研究人员重点关注的对象。1967年Koopmann[6]首次试验明确了圆柱体在低雷诺数情况下的锁定区间。Williamson和Roshko[7]进一步试验描述了结构后方的泻涡模式以及尾涡的形成、脱落和耗散全过程。……