海洋立管作为联系海底与海面的油气通道,在现代海洋工程结构系统中被广泛应用,其下端一般与万向节相连,上端则可连于平台的滑移节或钻探船舶等。海洋立管内部通过具有一定流速且高压的液体或气体,外部则承受波浪、水流的作用。当水流以一定的流速流过立管等柱状物时,立管两侧会交替产生泄涡,泄涡使立管受到横向及流向的周期外部流体力,引发立管涡激振动,而立管的振动又会改变其尾流结构,两者相互作用影响。当管内流质以一定流速通过发生涡激振动(弯曲振动)的立管时,管内流体将会受到离心力和科氏力作用,在一定条件下出现二次流(secondary flow),使内流场从直管的哈根-泊肃叶流转变为螺旋流(helical flow)。内流场的改变对应内部流体力的变化,而这些力作用在立管上,使立管发生涡激振动以外的附加振动。可见,细长柔性立管在内、外部流动的共同作用下的振动响应问题是一个非常复杂、高度非线性的流固耦合问题。尽管对立管涡激振动响应的研究开展较早,但考虑内流的立管涡激振动的研究成果并不多。本文采用浸入边界法(immersed boundary method)来实现流固耦合的数值模拟,并在此基础上开发了并行计算程序Cg LES IBM,结合自行开发的隐式结构动力求解器X-code,实现了对考虑内流的细长柔性立管涡激振动的数值模拟。本文主要的研究内容和结果如下:1.对仅考虑横流向涡激振动的柔性立管进行数值模拟研究,模拟中考虑内流流速、质量比等因素的影响,并考察柔性立管前三阶振型下的涡激振动特点,发现低质量比柔性立管对内流的响应更明显,内流的出现降低了立管的固有频率,随着内流流速的增大横流向的振幅反而下降等特点。2.对考虑两向涡激振动的柔性立管进行数值模拟研究,模拟中考虑内流流速、质量比等因素的影响,并考察柔性立管前三阶振型下的涡激振动特点,并与仅考虑横流向振动的立管模型进行对比,发现顺流向的弯曲振动会加强横流向的振幅,内流的出现将会导致参与振动的振型数增加等。3.对柔性立管的尾流场进行研究,发现柔性立管的尾流场表现出了很强的三维性特征,本文的算例都表现出了驻波振动特征,尾涡模式为平行交叉泻涡,尾流模式较为复杂。内流的出现导致尾流特征长度发生了一定的变化。4.对涡激振动下输流立管内流场的二次流效应进行研究,发现在一定条件下,内流场可以形成一对或几对反向旋转的流向涡涡对。在整个振动周期内,流向涡涡对的数目和位置随着立管的运动状况发生着周期性变化,且流向涡涡对数目增加后,立管内流场的流向涡三维结构发生了很大变化。通过流体不稳定性理论,进一步对立管内流场的周期性变化和三维性等特征进行了解释。