海洋工程装备及高技术船舶作为“中国制造2025”十大重点领域之一,近年来得到了国家大力的政策和资金支持。目前我国海工装备制造的产业布局已初步形成,但产品开发设计能力与欧美国家的差距较大。考虑到未来市场将对海工装备的经济性,安全性,环保性提出越来越高的要求,这也给基础科研带来了更加严峻的挑战。以海上钻井平台为例,其立管等许多尺寸不同的构件长期处于洋流或海浪的冲击之下受柱体绕流的影响极易发生疲劳损伤。因此避免钻井平台的疲劳损伤,提高平台的稳定性和使用寿命是设计工作中必须要解决的关键技术之一。由此可见深化柱体绕流的基础研究在一定程度上有助于提高相关工程装备的设计水平。目前国内外有关非等直径串列双圆柱绕流特性的系统性实验研究和理论成果较为贫乏,尚有许多机理性的问题没有解决。本工作旨在通过对非等直径串列双圆柱的流动特性进行系统性的实验研究以掌握圆柱的流场结构及其流体力随圆柱直径和间距的变化规律以及相关的物理机理。研究中所采用的雷诺数为0.8×10~4–2.42×10~4。圆柱模型的直径比和间距比分别为d/D=0.2–1.0和L/d=1.0–20。实验中采用了多种流体测量技术测量了圆柱的流体力,斯特劳哈尔数以及包含漩涡宽度,漩涡形成长度,剪切层横向宽度等诸多反应流场特性的参数。研究发现圆柱的直径和间距对串列圆柱的动力学特性有着非常显著的影响。根据上游圆柱的剪切层是否附着在下游圆柱表面,串列圆柱间的流态可分为剪切层再附着流态和双涡脱流态两种,而后者又可进一步分为“涡脱锁定”、“次谐波锁定”和“无锁定”等三种子流态。根据雷诺数的不同,串列圆柱周围的流动可进一步细分“涡脱锁定”、“间歇性涡脱锁定”、“无锁定”、“次谐波锁定”和剪切层附着等五种子流态。此外,受上游圆柱漩涡形成长度的影响,从再附着流态到共同涡脱流态所对应的临界间距比随着d/D的减小而增大。当圆柱间距大于临界值时,下游圆柱涡脱频率的变化由d/D的大小决定。在临界间距比下,下游圆柱流体力在d/D=1.0–0.4时会发生正向跳变,而在d/D=0.2时则会发生反向跳变;同时,涡脱频率在d/D=1.0–0.8工况下会发生正向跳变,在d/D=0.6–0.2时则出现反向跳变。本研究还发现当d/D=0.6–0.2时,流体力和涡脱频率会出现反向跳变现象。通过无量纲分析发现临界间距与d/D成反比,这种形式的变化与上游圆柱的漩涡形成长度有着直接联系。伴随着d/D从1.0减小到0.2,临界间距的范围从2.75–3.0增大到6.0–7.0,而重新归一化的临界间距则与d/D的变化无关,基本处于2.26–2.64的范围内。而与双稳态流动有关的临界间距则随着d/D的减小而增大。综上所述,本文针对非等直径串列双圆柱的绕流特性进行了系统性的实验研究。通过对圆柱的漩涡脱落频率、下游圆柱的流体力和表面压力分布以及圆柱周围流动形态的系统性测量分析,研究了圆柱的流体力和流动结构随直径比和间距的变化规律,阐述了上游圆柱对流态的影响,揭示了导致流体力变化的物理机理,提出了一种全新的临界间距归一化方法。本文的研究结果进一步深化了有关非等直径串列双圆柱绕流特性的认识,不仅具有重要的学术价值,更为相关工程领域中关键技术的突破奠定了实验基础。