基于三维失稳启发的展向分布抽吸控制策略在方柱绕流中的减阻抑振机制研究

针对高雷诺数(Re=5000)下方柱绕流存在的涡激振动(VIV)问题，哈尔滨工程大学团队创新性提出三维周期性展向分布抽吸控制策略。通过大涡模拟(LES)和谱本征正交分解(SPOD)技术，发现最优控制周期λ=3可降低25.9%平均阻力、抑制84.7%升力系数波动，并将涡脱落频率稳定在0.136。该研究为海洋工程结构物流致振动控制提供了新思路。

　　

在海洋工程领域，方柱结构作为高耸建筑、桥墩和海洋平台的简化模型，其绕流特性直接关系到结构安全。当雷诺数(Re)达到5000时，流动进入亚临界转捩态，三维涡脱落现象加剧，传统二维控制方法失效，导致显著的涡激振动(VIV)风险。这种周期性涡脱落引发的交变升阻力，可能引发海洋平台支腿、立管等结构的疲劳破坏。尽管被动控制(如波形前缘)有一定效果，但存在调节僵化、高Re数下流动分离难以避免等问题。

哈尔滨工程大学团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，创新性地将主动控制理念与三维失稳理论结合，开发出周期性展向分布抽吸控制策略。采用大涡模拟(LES)技术结合Smagorinsky–Lilly亚格子模型(C_s=0.1)，系统比较了五种抽吸方案对流动特性的影响，并首次引入谱本征正交分解(SPOD)方法解析控制前后的相干模态特征。

关键方法学：

1. 基于ANSYS Fluent平台的LES模拟，采用Pressure-Implicit with Splitting of Operators算法求解
2. 设计λ=1-5五种展向波数的周期性抽吸控制方案
3. 通过SPOD分析提取频率分辨的相干结构，替代传统POD方法
4. 量化评估阻力系数(C_d)、升力系数波动(ΔC_l)和斯特劳哈尔数(St)等参数

研究结果：
验证数值计算结果
基线工况的斯特劳哈尔数St=0.137与经典文献(Norberg,1994)误差仅1.4%，时均阻力系数C_d=2.18符合过渡流态特征，验证了LES模型的可靠性。

三维控制对气动系数影响
λ=3控制方案表现最优：时均阻力降至1.61(降幅25.9%)，升力系数波动幅值减小84.7%，涡脱落频率锁定在0.136。频谱分析显示控制后大尺度涡结构能量显著降低。

SPOD模态分析
λ=3方案下远尾流区涡核尺寸缩小40%，涡强度减弱。SPOD能量谱表明控制后主导模态能量向高频转移，证实小尺度湍流占比提升。

结论与意义：
该研究首次将三维周期性展向抽吸控制应用于方柱绕流，突破传统二维控制的局限性。最优控制参数(λ=3)通过激发二次失稳机制，实现：

1. 大幅降低流体载荷(ΔC_d>25%)，提升结构耐久性
2. 抑制84.7%的VIV风险，保障海洋平台安全运行
3. SPOD揭示的流场重组机制为主动控制设计提供理论依据

研究获得国家自然科学基金(51908107)和黑龙江省自然科学基金(LH2020E010)支持，为复杂流态下海洋结构物流致振动控制树立了新范式，在海上风电基础、跨海桥梁等工程领域具有广阔应用前景。