轴向板条抑制圆柱体涡激振动的最优配置实验研究及其海洋工程应用

为解决海洋立管在深水环境中因涡激振动(VIV)导致的疲劳损伤问题，马来西亚国立水资源研究院团队通过循环水槽实验，系统研究了轴向板条覆盖率(CR)和间隙比(GR)对刚性圆柱体VIV的抑制效果。研究发现CR=0.3与GR=0.20组合可最大降低71.4%横向振幅和47.9%阻力系数，揭示了间隙比在抑制中的主导作用，为海洋工程抗振设计提供了新方案。

　　

在深海油气开发中，海洋立管长期承受洋流冲击引发的涡激振动(VIV)，导致结构疲劳甚至断裂。尽管螺旋列板(helical strakes)和导流罩(fairings)等传统抑制装置已广泛应用，但存在阻力剧增或方向敏感性等缺陷。马来西亚理工大学团队在《Ocean Engineering》发表的研究，通过创新性轴向板条(axial slats)设计，为这一工程难题提供了更优解决方案。

研究采用循环水槽实验技术，通过调节轴向板条的覆盖率(CR)和间隙比(GR)两个关键参数，测量了雷诺数(Re)7336-39346范围内圆柱体的跨流(CF)/顺流(IL)双向振动特性。结合自由衰减试验获取固有频率，并分析升力系数、阻力系数及功率谱密度(PSD)等指标。

实验设置
在1.5m宽、2.0m深的循环水槽中，设置可双向运动的刚性圆柱体模型。通过精密流速控制(0.11-0.59m/s)覆盖目标雷诺数范围，采用高精度传感器记录振动轨迹和流体力学参数。

自然频率与阻尼比
自由衰减试验表明，轴向板条能显著改变系统固有特性。水中测试数据揭示，最优配置(CR=0.3, GR=0.20)使结构阻尼特性提升，为抑制锁频(lock-in)现象奠定基础。

结论
研究发现轴向板条具有"三重优势"：最佳配置可实现71.4%的CF振幅抑制和47.9%的阻力降低，且GR的影响权重高于CR。该成果不仅证实轴向板条在海洋环境中的适用性，其双向减振特性更突破了传统装置的单向局限。相比螺旋列板，轴向板条在保持omnidirectional特性的同时避免了阻力激增问题，为深海立管设计提供了兼具经济性和可靠性的新选择。

研究还发现，当GR≥0.15时，板条间隙形成的次级涡流可破坏主涡街的周期性，这一流体机制为后续优化提供了理论依据。团队指出，未来可结合智能材料开发自适应板条系统，进一步拓展其在变流速环境中的应用潜力。