阶梯圆柱体涡激振动的多尺度流固耦合机制与直径比效应研究

针对海洋立管系统中非均匀几何结构引发的涡激振动(VIV)疲劳损伤问题，天津大学团队通过水槽实验研究了不同直径比(D/d=1.25-2)和排布方式(集中/交错)下阶梯圆柱体的流固耦合特性。发现集中构型存在"双锁定"现象，揭示了大小圆柱段动态竞争主导的振动机制，为优化海洋工程结构设计提供了重要依据。

　　

在浩瀚的海洋工程领域，海底管道和立管系统如同人体的血管网络，承担着能源输送的重要使命。然而这些圆柱形结构在洋流作用下，会遭遇一个隐形杀手——涡激振动(VIV)。当流体绕过圆柱体时，交替脱落的漩涡会产生周期性横向力，引发结构振动。与均匀圆柱体不同，实际工程中广泛使用的带有浮力模块的立管具有阶梯状非均匀几何特征，这种直径突变使得流场特性和振动响应变得异常复杂。

传统研究多聚焦于固定阶梯圆柱体的流场特征，而对动态振动响应的认识仍存在空白。特别是直径比(D/d)和空间排布方式如何影响大小圆柱段的流固耦合竞争机制，直接关系到海洋结构物的疲劳寿命设计。天津大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表的这项研究，通过系统的水槽实验揭开了这一谜题。

研究采用循环水槽实验系统，测试段尺寸为400mm×306mm×2370mm，流速范围0.04-0.4m/s。阶梯圆柱体模型通过空气轴承系统实现单自由度运动，采用激光位移传感器和应变片分别测量振动位移和流体作用力。重点考察了三种直径比(D/d=1.25,1.5,2)和两种排布方式(集中/交错)下的交叉流VIV特性，通过频谱分析和相位测量揭示了流固耦合机制。

振动响应
集中排布阶梯圆柱体展现出独特的"双锁定"现象：第一锁定区频率由小圆柱段主导，第二锁定区则出现更高频率响应。当D/d=1.25-1.5时，振动响应分支分别对应大小圆柱段的特征频率；而D/d=2时，大圆柱段的主导作用显著增强。交错排布则表现出直径比依赖性：D/d=1.25-1.5时呈现类似低质量阻尼均匀圆柱体的单锁定特征，D/d=2时则再现双锁定响应。

水动力升力与频率
研究发现锁定区域转换时，升力与结构响应间存在相位跳跃现象。集中构型在D/d=2时升力系数幅值最大达2.5，而交错构型表现出更平稳的升力演变。频率分析表明，小圆柱段在D/d=1.25时主导高频振动(f_S)，大圆柱段在D/d=2时主导低频响应(f_L)，中间比例则呈现竞争耦合状态。

相位差与有效附加质量
通过 Hilbert 变换获得的相位差分析显示，双锁定现象与有效附加质量系数(C_a)的突变密切相关。在D/d=2的集中构型中，C_a从第一锁定区的正值突变为第二锁定区的负值(-0.8)，这种突变源于大小圆柱段涡脱频率竞争导致的能量重分配。

结论与意义
该研究首次系统揭示了阶梯圆柱体VIV中大小直径段的动态竞争机制：1)集中排布必然产生双锁定现象，且第二锁定区频率更高；2)直径比决定主导振动模式，小比例(D/d=1.25)由小圆柱段主导，大比例(D/d=2)由大圆柱段控制；3)相位跳跃和附加质量突变是双锁定的本质特征。这些发现突破了传统均匀圆柱体VIV理论框架，为海洋立管系统的疲劳寿命预测和浮力模块优化布局提供了科学依据。特别是提出的"动态竞争主导"模型，为理解复杂几何结构的流固耦合问题开辟了新思路。

研究团队特别指出，未来工作应进一步探索三维空间排布和多自由度耦合振动特性。这项由中国国家自然科学基金(52179076等)资助的研究，彰显了我国在海洋工程流体力学领域的前沿探索能力。