海洋立管是连接浮式平台和海底井口的关键设备，涡激振动是其疲劳损伤的主要原因，蕴含复杂、丰富的动力学内容。在实际工程中，海洋立管基本上都是长期作业的，随着时间推移，海洋生物会吸附在其表面，从而影响其表面粗糙度。立管表面粗糙度使得立管涡激振动动力学特性变得更加丰富和复杂，蕴含跳跃、多频振动、宽频振动、共振等动力学内容。本文基于CFD(计算流体动力学)与CSD(计算结构动力学)的双向流-固耦合方法，编制光滑圆柱、光滑立管涡激振动数值模拟程序。在此基础上，引入粗糙壁面速度梯度的修正模型，编制粗糙圆柱、粗糙立管壁面速度梯度计算程序并嵌入圆柱、立管涡激振动数值计算程序中，构建粗糙圆柱、立管涡激振动数值计算程序。利用所编制的程序研究多种关键参数(不同粗糙度、不同来流等)对圆柱和立管的振动模态、振动响应特性、动力学特性、尾流涡泄模式、振动轨迹等的影响，并系统地对比研究光滑圆柱和粗糙圆柱、光滑立管与粗糙立管涡激振动特性的差异，揭示光滑圆柱与粗糙圆柱、光滑立管与粗糙立管涡激振动所特有的非线性动力学行为，如跳跃、多频振动、宽频振动、共振等，探寻表面粗糙度对圆柱、立管涡激振动影响的机理，为粗糙海洋立管的振动控制和工程设计提供科学的理论依据和工程实用方法。总的来说，本文围绕考虑表面粗糙度的海洋立管涡激振动问题，研究对象从光滑圆柱到粗糙圆柱，再到光滑立管，最后到粗糙立管。从圆柱(二维)到立管(三维)、从光滑表面到粗糙表面系统地研究考虑表面粗糙度的海洋立管涡激振动特性，主要研究工作和成果归纳如下：
　　(1)提出从静态圆柱结构开始的数值计算初始化条件和准确设置与物理实验相匹配的粘性系数是数值计算中成功捕抓圆柱涡激振动超级上端分支和2T尾流涡泄形态的关键，利用光滑圆柱涡激振动数值计算程序系统分析和总结光滑圆柱涡激振动的流体力、振动响应特性、振动轨迹、尾流涡泄等方面的规律。通过与其他学者所报道的数值模拟结果、经典物理实验结果进行系统地对比分析，本文的数值模拟结果更为精确模拟光滑圆柱各个振动响应分支和尾流涡泄模式，特别是成功捕抓2T涡泄模式和超级上端分支。
　　(2)引入粗糙壁面速度梯度的修正模型，构建粗糙圆柱涡激振动数值计算程序，系统地研究粗糙度Ks/D=0.005,0.01,0.02的粗糙圆柱涡激振动特性。研究结果表明，与光滑圆柱相比，圆柱表面粗糙度越大，粗糙圆柱涡激振动的超级上端分支越短以及所能产生的最大振动幅值越小。当表面粗糙度较小时，粗糙圆柱涡激振动的锁定区间未出现明显变化；当表面粗糙度较大时，粗糙圆柱涡激振动的锁定区间明显减小。当表面粗糙度较大时，粗糙圆柱涡激振动下端分支的最大值明显增大。在较低的约化速度下，圆柱表面粗糙度有抑制圆柱发生混乱运动的作用；在较高的约化速度下，圆柱表面粗糙度有促进圆柱发生混乱运动的作用。随着表面粗糙度的增大，圆柱表面粗糙度会抑制2T尾流涡泄模式。
　　(3)提出一种可以考虑轴向张力变化的模型，并基于Newmark-β法编制了光滑立管涡激振动程序，研究光滑立管涡激振动特性。结果表明，本文数值模拟结果精确捕抓光滑立管振动幅值比曲线的双峰特征，光滑立管的振动频率与实验结果较为吻合；随着来流速度的增大，来流向、横流向振动频率逐步增大，来流向、横流向振动模态逐级上升；相比横流向振动，光滑立管来流向更早进入二阶振动。当来流速度较大时，立管来流向进行多频振动，即除了主频率以外，还存在两倍于主频率的次频率；立管横流向也进行多频振动，即除了主频率以外，还存在两倍和三倍于主频率的次频率。
　　(4)引入立管粗糙壁面速度梯度的修正模型，构建三维粗糙立管涡激振动数值计算程序，并对比研究光滑、粗糙立管涡激振动的差异。研究结果表明，本文的数值模拟结果与实验结果较为吻合。随着表面粗糙度的增大，立管来流向振动响应幅值减小。在较低的约化速度下，随着表面粗糙度的增大，立管横流向振动响应幅值略微增大；在较高的约化速度下，随着表面粗糙度的增大，立管横流向振动响应幅值减小。与光滑立管相比，具有较大表面粗糙度的立管来流向振动频率增大；在较高的约化速度下，随着表面粗糙度的增大，立管横流向振动频率明显增大。较大的表面粗糙度会强化立管来流向多频和宽频振动特征，但较小的表面粗糙度会抑制立管来流向多频和宽频振动特征。立管横流向表现出多频振动特征，即除了主频率以外，还存在两倍和三倍于主频率的次频率。随着表面粗糙度的增大，立管横流向两倍和三倍于主频率的次频率逐渐减弱，多频振动特性逐渐降低，但宽频振动特征逐渐增强。当来流速度较高时，即使较小的表面粗糙度也会对立管尾流涡泄模式产生明显影响。表面粗糙度会抑制2T、2P尾流涡泄模式，增强2C尾流涡泄模式。