部分浸没圆柱体涡激振动抑制的流动控制杆实验研究及其在海洋平台设计中的应用

本研究针对海洋工程中部分浸没圆柱体结构面临的涡激振动(VIV)问题，创新性地采用被动流动控制杆技术，通过水槽实验系统考察了不同长径比(L/D=1.0-2.0)和雷诺数(Re=10,000-50,000)条件下的振动抑制效果。结果表明控制杆可降低40%-49%的振幅，同步缩减26%-38%的阻力系数，为深海单柱平台等浮式结构设计提供了重要技术参考。

　　

在海洋能源开发领域，涡激振动(Vortex-Induced Vibration, VIV)一直是困扰深海结构安全的"隐形杀手"。当海流绕过圆柱形结构时，会周期性产生交替脱落的涡旋，引发结构剧烈振动。这种现象在单柱式平台(monocolumn platform)等浮式结构中尤为显著，被业界称为涡激运动(Vortex-Induced Motion, VIM)，可能导致结构疲劳、定位系统失效等严重后果。随着全球能源转型加速，新一代多功能海上能源枢纽对结构安全提出更高要求，亟需开发高效、可靠的振动抑制技术。

巴西圣保罗大学流体与动力学研究组(NDF)的Monica L.L. Silva团队在《Ocean Engineering》发表的研究，创新性地将被动流动控制杆应用于部分浸没圆柱体。研究人员在循环水槽中构建了直径100mm的丙烯酸圆柱模型，配置8根直径0.08D的刚性控制杆，通过六分量测力仪和运动捕捉系统，系统测试了L/D=1.0-2.0三种浸没比例下的振动响应和流体动力特性。

关键技术包括：(1)采用亚临界弗劳德数条件确保自由表面效应最小化；(2)通过刚性约束实现纯横向振动；(3)使用高精度传感器测量阻力系数C_x和升力系数C_y；(4)对比分析裸柱体与控制杆配置的振动频谱特性。

【静态圆柱体】研究显示裸柱体的平均阻力系数C_x≈0.9，与文献数据吻合。控制杆使静态阻力增加15%-20%，但显著改善振动状态下的流体动力性能。

【进一步讨论】发现L/D=2.0时呈现近似无限长圆柱体的二维流动特征，而较小长径比会增强三维端部效应。控制杆通过干扰涡旋形成过程，将振动能量分散到更高频段。

【结论】该被动控制方案在保持基本涡脱落机制前提下，实现振幅降低49%(L/D=1.5最优)，同步范围缩小20%。阻力波动降低26%-38%，且对斯特劳哈尔数St影响微小。研究首次证实了有限浸没条件下控制杆的有效性，为深海平台设计提供了实验依据。

这项工作的科学价值在于：(1)填补了部分浸没圆柱体VIV抑制的研究空白；(2)揭示了浸没深度与控制效果的定量关系；(3)提出的被动控制方案无需外部能源，符合海上设施的可靠性要求。技术成果可直接应用于巴西深海单柱平台等实际工程，对推动海上可再生能源装备发展具有重要意义。