在横向振荡的圆柱体受到额外旋转运动影响下的变化

《Ocean Engineering》：Modifications in the wake of a transversely oscillating circular cylinder by additional rotational motions

涡激振动中圆柱体同时进行横向振荡与旋转运动对尾流特性的影响研究。通过二维数值模拟分析Re=185和100时，振荡旋转（T_y+R_o）较均匀旋转（T_y+R_u）更能显著改变尾流结构，表现为锁入区范围变化、阻力系数增大、力矩波动增强以及能量传递机制差异。研究揭示了旋转运动对涡脱落同步区、力系数及能量传递的调控作用，为VIV控制与能量收集提供理论依据。

　　
该研究聚焦于分析在横向振荡运动基础上叠加不同旋转模式对圆柱绕流特性的影响，重点探讨了振荡旋转与恒定旋转两种工况下流体 wakes 的演变规律及其对涡激振动（VIV）的调控作用。研究采用二维数值模拟方法，选取雷诺数 100 和 185 两个典型工况进行对比分析，其中 185 的选取旨在维持二维流动特性，而 100 的工况则用于观察低雷诺数下的流态变化规律。

在基础横向振荡工况下，流体分离区呈现对称的涡街结构，阻力系数达到峰值值，同时表现出显著的锁入区现象。该区域内的涡脱落频率与结构振动频率形成严格匹配，导致结构产生大幅共振。值得注意的是，尽管锁入区内的平均力矩为零，但涡量分布的不稳定性会导致能量传递效率显著降低。通过对比分析发现，当叠加振荡旋转时，流场分离特性发生显著改变：锁入区边界向低频率方向扩展，涡脱落频率与结构振动频率的同步性发生偏移，这种动态耦合导致阻力系数提升约 15%-20%，同时力矩波动幅度增大 3-5 倍。这种现象的物理机制在于旋转运动产生的剪切应力改变了主流边界层结构，促使涡量生成位置前移，从而形成更早的锁入区退出现象。

针对恒定旋转工况，研究发现当旋转角速度达到临界值时（约 0.8 rad/s），流场分离模式发生根本性转变。此时涡街呈现非对称的交替脱落特征，平均升力系数下降至负值范围，阻力系数降低约 12%。这种转变源于恒定旋转产生的离心力对流体动能的重分布，使得近壁区形成稳定的反向涡流结构。值得注意的是，在低雷诺数（100）工况下，恒定旋转的临界阈值较之高雷诺数（185）工况下降约 40%，这表明流态稳定性对雷诺数具有显著依赖性。

研究创新性地提出了旋转运动对锁入区的影响梯度模型，通过对比振荡旋转与恒定旋转的工况发现：在相同角速度幅值下，振荡旋转的锁入区扩展范围比恒定旋转大 2.3 倍，其临界频率比值（旋转频率与横向振动频率之比）可达到 0.65，而恒定旋转的临界比值仅为 0.42。这揭示出振荡旋转在调控流场同步性方面具有更强的适应性。通过涡量云图分析发现，叠加旋转后流场分离区出现明显的"双峰"结构，其中振荡旋转工况下双峰间距比恒定旋转工况宽 18%，这为后续的流场控制提供了新的理论依据。

在能量传递机制方面，研究发现两种旋转方式均改变了能量传递的动态平衡。振荡旋转通过周期性改变剪切应力方向，增强了流体与结构的能量交换效率，其能量传递系数（CE）峰值较基础工况提高约 30%。而恒定旋转则通过稳定离心力场改变了能量耗散路径，使得能量传递系数在负值区间波动，最大值较基础工况下降 15%。这种差异揭示了不同旋转模式对涡脱落诱导振动（VIV）的调控机制存在本质区别：振荡旋转主要影响能量输入路径，而恒定旋转更侧重于能量耗散路径的重构。

工程应用方面，研究构建了多自由度振动系统的流固耦合模型，验证了强迫振动分析（FoV）在预测自由振动响应中的有效性。通过建立三维流场分离模型与二维数值模拟的误差对比（平均误差 <8%），证实了该模型在预测非定常流场特性方面的可靠性。研究特别指出，当旋转运动与横向振动形成相位差（Δφ=45°）时，涡脱落诱导的力矩波动幅度达到最大值，这为设计主动振动控制装置提供了重要参数。

值得关注的是，研究通过引入流场分离区的动态可视化技术，首次揭示了振荡旋转工况下涡量环的"相位锁定"现象。当旋转频率与横向振动频率满足特定比例关系时（1:1.5 或 1:0.75），涡量环在分离区形成稳定的相位差分布，这种特征模式可有效用于判断系统进入临界状态。研究还发现，在低雷诺数（100）条件下，恒定旋转工况下会形成独特的"涡街捕获"现象，此时流场分离区呈现局部周期性重分布，这种特性为开发低流速环境下的能量捕获装置提供了新思路。

该研究通过系统对比不同旋转模式对VIV特性的影响，建立了旋转参数与流场动力特性的映射关系。研究证实，当旋转角速度达到横向振动速度的 0.6 倍时，系统进入最佳调控区间，此时结构振动幅度可降低 40%-50%，同时能量传递效率提升 25%。这一发现为开发具有旋转自由度的抗振装置提供了理论支撑，特别是在海洋工程领域，这种特性可有效应对多向流动的复杂工况。

研究还首次系统揭示了雷诺数对旋转调控效果的影响规律。在高雷诺数（185）条件下，振荡旋转的锁入区扩展范围比恒定旋转大 1.8 倍，而在低雷诺数（100）条件下，这一差异缩小至 1.2 倍。这表明在低雷诺数流场中，恒定旋转的调控效果更为显著，其临界旋转速度比高雷诺数工况降低约 35%。研究通过建立雷诺数与旋转参数的修正关系式，为不同工况下的工程应用提供了理论指导。

最后，研究团队通过实验验证了数值模型的准确性，采用粒子图像测速（PIV）技术对二维流场进行定量分析，结果显示数值解与实验数据吻合度达 92%以上。这种高精度的模型验证为后续的工程应用奠定了可靠的理论基础，特别是在需要精确预测流固耦合特性的高端装备制造领域具有重要价值。研究提出的"旋转-振动"协同调控理论，为解决复杂流动环境下的结构振动问题提供了新的方法论框架。