1 目的及意义

1.1 研究背景

随着社会的进步，经济的发展，人类对化石能源的需求日益增加。由于多年的过度开采致使陆地上的化石能源资源的匮乏，为解决能源危机，人们便将目光投向了资源更加丰富的海洋中。据统计，海洋中蕴含了大量的能源，世界近海海底已探明的石油可采储量为220亿吨，占世界石油探明总可采储量的24%；近海海底已探明的天然气储量为17万亿立方米，占世界天然气探明总可采储量的23%，这些促使着各国不断加大对海洋油气资源的争夺。石油等资源严重制约着我国经济社会的发展，因此中国政府高度重视海洋石油资源的开发并将其作为了战略能源，不断加大了对海洋资源的开发与投入。

立管是海洋开发过程中不可缺少的部分，起着开采、勘探、传输等重要的功能。随着我国对海洋油气资源开发的不断深入，对立管性能需求也逐步提高。尤其在深水环境中海流复杂，立管将会受到高温、高压的影响，变得尤为脆弱。诸多因素中，涡激振动是导致立管疲劳破坏最为常见的原因之一。随着开发深度的增加，海洋环境更加复杂，将会导致不同间段的立管产生不同的振动形态，涡激振动特性将更为复杂，严重影响立管的使用寿命。

在海洋工程中，涡激振动对结构的破坏非常严重，尤其是发生共振现象时。而现有的很多理论与研究对涡激振动的认知尚不完全清晰，还有紊流、流动分离、分离点漂移等问题尚待解决，因此涡激振动一直是研究的热点问题。研究涡激振动，分析不同因素对涡激振动的影响，掌握涡激振动的特性，并在工程应用中减小涡激振动对结构的损伤，有着重要意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1 圆柱绕流研究现状

圆柱绕流是流体力学中经典研究课题。由于圆柱是非流型物体，圆柱扰流特性受到尾流形态、雷诺数、圆柱尺寸、表面粗糙度、湍流强度等因素的影响。随着研究的不断深入，人们在圆柱受力特性、尾流形态、多柱相互作用等方面取得了一定的的成果。

1752年D' Alembert开展了钝体绕流问题研究，通过势流理论推导出：圆柱体在大范围的静止或匀速不可压缩无粘性流体中做匀速运动时，它所收到的外力为零。1878年Strouhal发现弦线的振动频率只和弦线的直径和速度有关，为一常数(斯托罗哈数)。1907年Mallock观察到钝物体后面交错排列的旋涡，并对此进行了研究。1912年Von Karman通过系统实验研究，发现了涡旋脱落后将在圆柱下游形成涡街，并研究了不同雷诺数条件下涡街的稳定性;将圆柱绕流研究提高至新的高度。

大多数流动具有三维特征，主要是由于流动和边界接触所引起的。三维流动相当复杂，大多数三维流动研究要部分或全部依靠试验^[1]。王亚玲等曾采用有限体积法和SIMPLE计算格式，对黏性不可压缩流体的圆柱扰流进行了三维数值模拟(Re = 1000和Re=10000)，发现高雷诺数时圆柱周围的流动具有明显的三维特性^[2]。

1.2.2 涡激振动研究现状

圆柱绕流中由于周期性的旋涡脱落，可以引起物体纵向和横向的交变力，如果圆柱是个振动体系，这种交变力就会引起圆柱的振动，圆柱在流体中发生振动时，由于振动物体与流体间的耦合作用，当涡脱频率与圆柱固有频率相近时将引起共振现象^[3]。而一般横向振动要比流向振动大得多，因此研究工作一般都集中在横向振动问题上。

涡激振动的研究方法目前为止主要有三种，一是利用计算流体动力学（CFD）技术来分析地解粘性纳维-斯托克斯方程的CFD，也可以称作解析法，二是基于实验性数据的经验模型法，三是数值模拟法^[4]。

1. 解析法

运用解析的方法解出以时间为因变量的N-S方程，从解中就会得到流动从圆柱体分离以及旋涡形成，而通过作用在圆柱表面上的压力和剪力荷载就会给出圆柱的运动函数。这些解的雷诺数局限于1000以下并且忽略流体的粘性，而把流场和圆柱运动结合起来，能够运用于多数实际例子的综合解析法还没有出现^[5]。