非线性剪切流下柔性悬链缆多模态涡激振动的凸凹流与垂直流对比研究

为解决海底电缆在复杂海洋流场中的疲劳失效问题，研究人员采用CFD-FEM耦合模型，系统研究了柔性悬链缆在凸、凹及垂直非线性剪切流下的多模态涡激振动(VIV)。研究发现流型与流速显著影响缆体动态响应，揭示了从驻波到行波的模态转换及能量传递机制，为海上风电系统缆线设计提供了重要理论依据。

　　

随着海上风电等可再生能源的快速发展，海底电缆作为电力传输的"生命线"，其安全性至关重要。然而，海底冲刷作用常使原本埋藏的电缆暴露于复杂流场中，引发多模态涡激振动(Vortex-Induced Vibration, VIV)，导致电缆疲劳损伤。现有研究多聚焦直线结构，对具有几何非线性的悬链缆在凸、凹等非线性剪切流下的VIV特性认知不足，制约了工程防护策略的制定。

为填补这一空白，广东某研究团队在《Ocean Engineering》发表研究，采用计算流体动力学-有限元(CFD-FEM)耦合方法，首次系统对比了悬链缆在垂直流、凸流和凹流三种典型流型下的动态响应。关键技术包括：建立三维流固耦合数值模型，通过网格独立性验证确保计算精度；设置流速梯度模拟实际海洋剪切流；采用模态分析法识别主导振动频率。

静态挠曲与流型相关性
垂直流作用下电缆呈现对称单曲率静态挠曲，而凸流和凹流导致非对称变形，尤其在电缆下部区域产生显著曲率反转。这种几何非线性效应为后续动态分析奠定了基础。

多模态VIV演化规律
随着流速增加，振动从单频主导的振幅峰值逐渐发展为含宽带频率成分的多模态响应。高频段出现能量从主模态向次模态的转移现象，凸流条件下这种转移较凹流更为剧烈。

驻波-行波转换机制
高流速区（约1.5倍临界流速）出现明显的驻波向行波转换，伴随模态跳跃现象。能谱分析显示凸流促进高阶模态激发，而凹流更易维持基频振动。

平面内外振动差异性
面外振动保持对称特性，而面内振动因流型差异形成非对称轨迹。垂直流下振动轨迹呈"8"字形，凸流则导致轨迹在跨流方向明显偏转。

该研究首次揭示了悬链缆几何非线性与复杂流场的耦合作用机制，建立了流型-模态响应-能量传递的定量关系模型。结论为海上风电电缆的流致振动预警提供了理论依据，提出的CFD-FEM框架可推广至其他柔性海洋结构物分析。特别是发现凸流比凹流更易诱发高阶模态振动，这对电缆防护重点区域的确定具有直接指导价值。未来研究可结合现场监测数据，进一步验证数值模型的工程适用性。