倾斜床面条件下圆柱桩绕流的大涡模拟研究：Re=3900时的流体-结构相互作用动力学

本研究通过三维大涡模拟(LES)技术，系统研究了雷诺数Re=3900条件下倾斜床面(0°≤θ≤40°)对圆柱桩流体动力特性及尾涡演化的影响，揭示了床面倾角对阻力系数非线性调制机制和流动对称性破缺规律，为海洋工程结构物设计提供了重要理论依据。

　　

在海洋工程领域，圆柱形结构物作为典型的支撑构件，其流体动力特性直接关系到海上平台、跨海桥梁等重大基础设施的安全性能。传统研究多聚焦于水平床面条件下的直立圆柱绕流问题，然而实际海床常存在复杂地形变化，特别是近岸区域的斜坡地形会显著改变流场特性。当雷诺数(Re)达到3900这一临界值时，流动状态处于层流向湍流过渡的关键区域，此时微小的地形扰动就可能引发流场失稳、涡脱落频率突变等复杂流体现象，进而导致结构物承受异常 hydrodynamic loading（流体动力载荷）。

针对这一工程科学难题，中国的研究团队在《Ocean Engineering》发表的最新研究中，创新性地将床面倾角(θ)作为核心变量，采用先进的大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)方法，系统考察了0°至40°倾斜床面条件下圆柱桩的流体动力响应特性。研究团队通过求解三维不可压缩Navier-Stokes方程，结合动态亚格子尺度应力模型，首次揭示了倾斜地形导致的流动对称性破缺与涡旋演化非线性特征之间的内在关联。

关键技术方法包括：1）基于有限体积法的LES湍流模拟框架；2）动态k方程亚格子尺度(SGS)应力建模；3）多角度工况(0°≤θ≤40°)参数化分析；4）力系数时程统计与频域特征提取。计算域采用非结构化网格，通过变分投影算子和有限体积单元聚类技术确保分辨率尺度分离。

Flow governing equations
研究建立了包含连续方程和滤波动量方程的控制体系，其中亚格子尺度应力τ_ij通过动态过程确定。方程中x_i表示笛卡尔坐标，u_i为速度分量，ν为运动粘度，p为压力。

Force analysis
时程分析显示：当θ=0°时，升阻力系数在200秒后出现振幅增强；θ=5°时升力系数呈现明显的大幅波动与微幅振荡交替现象；20°和40°工况下升力系数均方根值出现极值，表明特定倾角会诱发显著的动力放大效应。

Conclusion
研究得出三项重要结论：1）床面倾角通过改变分离剪切层动态平衡，导致阻力系数呈现非单调变化趋势；2）20°倾角时尾涡结构出现双稳态切换特征，对应升力脉动最剧烈工况；3）40°大倾角下轴向流动增强，使涡脱落频率偏离经典Strouhal数预测。这些发现为斜坡地形海洋结构物抗涡振设计提供了量化依据。

该研究的创新性体现在：首次系统量化了倾斜床面对亚临界雷诺数圆柱绕流的影响规律，修正了传统IP准则（ Independence Principle）在斜坡条件下的适用性边界。研究结果对深海养殖网箱、海上风电单桩等倾斜安装结构的涡激振动(VIV)预测具有重要指导价值，特别是为复杂地形海域的海洋工程防灾设计提供了新的理论工具。值得注意的是，文中揭示的20°临界倾角效应与Zhou et al.(2022)关于15°-30°稳定区间的发现形成互补，共同完善了倾斜柱体水动力特性的认知体系。