质量比与弯曲刚度对带柔性附板圆柱体流致振动的耦合影响机制研究

针对海洋工程中圆柱结构流致振动(FIV)的抑制难题，研究人员通过CFD模拟系统探究了质量比(mr=2-10)、柔性附板长度(LP/D=1-2)和弯曲刚度(Ks)在Re=150时对VIV和驰振的影响。发现增大质量比和板长可降低位移振幅，而提高柔性刚度会增强振动，研究为被动控制FIV提供了重要设计依据。

　　

在海洋工程领域，圆柱形结构物如海底管道、海洋立管等长期承受流体作用引发的流致振动(FIV)，可能导致结构疲劳甚至灾难性破坏。1940年塔科马海峡大桥的坍塌事件，正是流体与结构相互作用产生共振的经典案例。虽然刚性分流板已被证明能有效抑制涡激振动(VIV)，但柔性附板这种更接近生物柔性特征的被动控制方式，其与质量比(m_r)、弯曲刚度(K_s)的耦合作用机制尚不明确。

为破解这一难题，研究人员在《Ocean Engineering》发表论文，通过计算流体动力学(CFD)模拟系统研究了弹性支撑圆柱体在Re=150时的FIV特性。研究创新性地同时考察了质量比(2/5/10)、柔性附板长度(1D/1.5D/2D)和弯曲刚度对3≤U_r≤20范围内振动响应的影响，填补了多参数耦合作用研究的空白。

研究采用有限体积法(FVM)求解Navier-Stokes方程，结合任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法处理流固耦合界面。圆柱体采用二自由度(2DOF)质量-弹簧-阻尼系统建模，附板通过非维度化弯曲刚度K_s=Eh³/(12ρU²l_p³)表征柔性特性。计算域尺寸为45D×30D，通过网格独立性验证确保结果可靠性。

结果与讨论部分揭示：

1. 位移特性：增大质量比使X/Y向位移振幅最大降低47%，而增加板长(L_P/D=1→2)使振幅减小38%。但提高K_s会反常增大位移，这与刚性板结论相反。
2. 力系数变化：当U_r>10时，K_s增加使阻力系数(C_d)降低21%，但升力系数(C_l)增幅达63%，揭示柔性刚度对力系数的非单调影响。
3. 振动模式转变：在m_r=2时出现典型VIV锁频区(U_r=5-7)，而m_r=10时则呈现持续增长的驰振特征，表明质量比主导振动模式选择。

尾涡模式分析发现：短板(L_P/D=1)产生单涡(S)和涡对(P)交替模式，而长板(2D)在K_s=1e-4时形成三涡组(T)，这种多涡结构是引发驰振的关键流体机制。

该研究创新性地建立了质量比-柔性刚度协同作用图谱，指出在m_r=5、K_s=1e-3时能达到最佳抑振效果。成果不仅为海洋工程结构设计提供理论指导，其揭示的"柔性刚度增强振动"反直觉现象，更对仿生减振装置开发具有启示意义。正如Amini和Zahed(2024)所述，柔性附板的"刚度阈值效应"将成为后续研究的重要方向。