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海流以一定流速流经立管时会产生旋涡脱落,使立管发生涡激振动,尤其在与来流垂直的横向,旋涡脱落诱发的立管周期性振幅较大;当旋涡脱落频率与立管自振频率相近,振动迫使旋涡脱落频率固定在结构自振频率附近,发生频率锁定现象,引起共振,加剧立管结构失稳与疲劳损伤。本文通过流固耦合数值模拟流经粗糙表面立管的绕流,分析粗糙表面对振动响应的影响,主要研究内容和结论如下:(1)基于雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流SST k-ω模型与质量-弹簧-阻尼系统运动模型构建的流固耦合数值算法,开展了二维双自由度光滑圆柱的涡激振动数值模拟,通过与Jauvtis-Williamson的实验结果比对验证了数值算法的可靠性。(2)本文通过在光滑圆柱表面均匀分布3、4、5、6、8、9、12个半正弦波状凸起(始终保持凸起正面迎流)模拟发现:1)于立管表面均布半正弦波状凸起改变了立管的旋涡脱落模式,无量纲均方根振幅AY*掌低于光滑圆柱50%以上。2)与光滑圆柱相比,凸起个数为3、9的立管横向振幅得到有效抑制,泄涡维持2S模态。3)凸起个数为5、12的立管在更高流速(Ur≥6.5)下达到横向振幅峰值,但不能有效抑制流体作用力。4)凸起个数为4、8、9的立管在更小的约化流速(Ur≤5.5)达到振幅峰值。5)表面设6个凸起的立管较好地减小了振幅(降幅75%),柱体的流体作用力也得到控制,在更高的约化速度下达到横向振幅峰值(Ur=9),振动频率与泄涡频率未锁定在结构固有频率附近,约化流速Ur≥8时尾涡结构呈P+S模态。6)半正弦波状凸起分布在CF(cross-flow,横向)方向两侧且其余凸起沿IL(il-line,流向)方向对称时,凸起个数为4、8、12的立管运动轨迹对称性对流速的敏感度得到降低;横向振幅达峰值的升力-位移相位差明显增大(110°～179°);泄涡模态由初始/上分支P+S开始转换并在离开“锁频”区维持2S尾涡结构。(3)本文研究了凸起几何尺寸对立管涡激振动响应的影响。1)立管L1～L5与H1～H6的升力频率波动范围均为14.30%,较光滑圆柱,改变表面半正弦波状凸起的高度,对均方根阻力、无量纲均方根振幅的抑制效果更好。2)半正弦波状凸起波长的改变对CF方向振幅和流体作用力的影响远大于IL方向:立管L1～L5在CF和IL方向无量纲均方根振幅分别降低93.13%、0.74%,阻力系数降幅4.84%。3)半正弦波状凸起波高的改变对振幅和流体作用力的影响显著:立管H1～H6在CF和IL方向无量纲均方根振幅分别降低93.24%、16.68%,阻力系数降幅16.81%。研究发现,半正弦波状凸起几何尺寸的选择在满足如下条件时,立管涡激振动响应与泄涡特性没有明显变化:波长为0.32D,波高介于 0.0132D～0.0287D;波高为 0.0625D,波长介于 0.49D～0.73D。(4)本文研究了凸起布置位置和迎流攻角对立管涡激振动的交互作用,在迎流攻角0°～90°条件下,分别对凸起间隙角60°、45°、30°的立管进行了涡激振动响应特性分析。凸起间隙角为60°时,在立管表面均匀分布6个半正弦波状凸起能有效避免“锁频”现象并延缓立管疲劳损伤,降低了迎流攻角对流体作用力的敏感性。随凸起间隙角减小:1)横向与流向振幅始终低于光滑圆柱;2)模态转换类型与频次增大,导致振幅转换频次增大,且同一个立管的尾涡结构存在P+S和2P模态时变现象;3)CF和IL方向振动倍频关系敏感性增大,运动轨迹也更复杂;4)结构频率与泄涡频率在更小的约化流速下出现差异,升力-位移相位差对迎流攻角敏感性增大。(5)本文对结构优化立管的涡激振动响应分析显示,结构优化立管在更大流速的海洋环境中适用性较强:1)立管有效避免了在低流速下出现大振幅响应,并在更高流速(Ur=14)时进入“锁频”区,斯特劳哈数St=0.21-0.24;2)进入“锁频”区前,流体作用力对来流速度敏感性较小,升力-位移相位差由180°切换至1°;3)约化流速Ur=8、16、19时,CF和IL方向振动主导频率重合,流体作用力主导频率重合。4)尾涡结构经历P+S与2S模态的交替转变,CF与IL方向流体作用力频率比发生多次转变。5)结构优化立管对迎流攻角敏感性较低。