深海领域是石油工业可持续发展的重要领域,随着“海洋强国”战略的深入贯彻落实,深海石油开发稳步向前。阵列多柱体结构作为深海石油开发的普遍存在形式,广泛存在于海洋平台和立管柱群中。由于受风、浪、流以及浮式平台牵引拉扯等多重因素的综合作用,同时柱群个体之间又相互影响,这使得立管的涡激振动响应变得异常复杂,柱体疲劳磨损加重,且柱体之间极易发生碰撞,甚至损毁。近年来的研究重点主要集中在串列或并列双柱问题上,对于四柱乃至多柱问题的研究,大多停留在绕流问题上。因此,本文在数值模拟验证的基础上,开展了数值模拟阵列四圆柱在不同约束条件下的绕流与涡激振动研究,主要研究工作如下:(1)通过动网格结合圆柱体控制方程离散化UDF的方法,实现了二维双自由度的光滑圆柱流固耦合数值模拟研究,与Williamson经典三分支实验进行了对比,验证了数值模拟方法的可靠性。模拟了基于相似比尺的圆柱涡激振动问题,通过对无因次振幅、升阻力系数、振动轨迹及空间位置、尾流泄涡模式的综合对比,确定了在低雷诺数下(90≤5≤Re≤5≤240),基于雷诺-结构固有频率相似的原型和比尺模型具有极高的吻合度。比尺模型可作为定量分析的依据,来反映原型的相关特性规律。在高雷诺数下,由于二维缺少三维湍流细节,致使部分约化速度下的相似模型无法还原原型的某些真实特性。但原型和模型在高雷诺数下的受力和无因次振幅的有效值随Ur的整体变化趋势相似度较高,可作为定性参考。(2)通过对比验证Zhao(2016)的四柱绕流数值模拟,确定了四柱网格策略的正确性。而后通过变约化速度,开展了相同间距比(L=2.5D、G=3D)的四柱绕流、刚性连接四柱整体涡激振动、四柱各自涡激振动数值模拟研究。研究发现:固定四柱绕流的尾流脱涡模式对雷诺数的敏感性不是很强,除Ur=7外,其余约化速度的尾流涡脱模式均为两个“2S”。U=7时,出现了唯一一个同相泄涡,尾涡融合变为“2S”模式。Ur=7～8时,上、下游柱体之间的流态从“剪切层再附着”开始逐步转变为“屏蔽流”,此时上下游柱体的升阻力有效值趋于一致。(3)刚性连接整体四柱的无因次振幅随约化速度变化的趋势与单柱变化趋势相似。四柱整体的振动轨迹出现了“一”字型和经典的“8”、“1”字型,在Ur=3时,四柱均受到较大的升力作用,但由于四柱之间刚性连接,且上侧和下侧柱体的升力相位相反,大小刚好抵消,因此横向振幅几乎为0,表现出的尾流涡脱模式与同流速下的绕流尾流涡脱模式相似。在U=4～6时,由于上游柱体旋涡初始脱落未与后方融合,振动的柱体“撞击”了上游柱体的泄涡,被撞散的部分旋涡又与下游泄涡融合,导致了尾流模式的混乱以及流向的振动受多频的控制。从Ur=7～8开始,分离点逐步向后移,上、下游的旋涡统一在下游柱体后方融合脱落,所以尾流涡街变现为“2S”模式。对于各自振动的四柱体系统来说,系统内单柱的最大振幅在Ur=8时出现,此时上、下游柱体的振动轨迹彼此相似,在特定间距比和特定流速下,上游旋涡刚好能和下游旋涡融合,协同在下游柱体后方泄放,形成了四柱间反向锁定的涡街。