考虑圆柱-壁面碰撞的串联两个近壁圆柱流动诱导振动数值研究

《Marine Structures》：Numerical investigation of flow-induced vibration of two near-wall cylinders in tandem considering cylinder-wall collision

　　

•间隙比和排距比对近壁串列双圆柱的流体诱导振动响应具有耦合调制作用，在不同减缩速度和间隙比下表现出放大或抑制特性。•壁面碰撞行为表现出明显的阶段性特征；小排距下强烈的尾流干涉显著延长了碰撞持续时间并增加了碰撞强度。•流体动力系数（均方根阻力系数Cdrms和均方根升力系数Clrms）表现出由尾流干涉诱导的从抑制到增强的转变，在T/D = 5.0时观察到最弱的圆柱间相互作用。•涡脱落模式随间隙比、排距比和减缩速度的变化而系统性演化，根据上游尾流影响识别出四种不同的流态区域。

引言

随着陆地资源的逐渐枯竭，海洋资源的开发变得越来越重要。在海洋工程中，用于输送油气的水下管道经常受到海底和海流的共同影响。由于水下管道通常采用串列布置方式，其涡脱落模式和流体诱导振动响应变得更加复杂。管道与海底之间的相互作用以及相邻管道之间的相互作用，与海流诱导和流体诱导振动相结合，可能导致水下管道的疲劳损伤，并对海上油气资源的安全开发构成威胁[[1]、[2]、[3]、[4]]。因此，深入了解近壁串列圆柱的流体诱导振动机制对于水下管道系统的安全性和可靠性至关重要。

在过去二十年中，单个圆柱的涡激振动已得到广泛研究[[5]、[6]、[7]、[8]、[9]]。这些研究表明，孤立圆柱的涡激振动响应主要受质量比[10,11]、阻尼比[12,13]和雷诺数[[14]、[15]、[16]]等参数的控制。在此基础上，越来越多的研究开始关注附近壁面对圆柱涡激振动的影响。研究表明，壁面的存在可以显著改变圆柱的振动响应和相关的流场结构，且这种影响的程度强烈依赖于间隙比。因此，间隙比在近壁圆柱涡激振动中的作用已成为该领域的研究焦点。Li等人[17]系统研究了雷诺数Re=200条件下壁面对两自由度圆柱流体诱导振动的影响。结果表明，与孤立圆柱相比，近壁圆柱的顺流振动幅值更大，顺流振动频率更低。Li等人[18]在Re=200条件下对近壁两自由度旋转圆柱的流体诱导振动特性进行了数值研究，发现壁面效应主导了近壁圆柱的流体诱导振动特性。随着间隙比的增大，壁面对近壁圆柱流体诱导振动的影响逐渐减弱。当间隙比G/D > 1.1时，壁面对近壁圆柱流体诱导振动的影响可忽略不计。Chung[19]表明，间隙比的减小会显著改变近壁圆柱的涡激振动响应。具体而言，锁定区扩大，横向振动幅值峰值减小，而对应的减缩速度增大。壁面效应能有效抑制拍频现象，同时导致升力增大并产生持续为正的平均升力。虽然尾流涡脱落模式同时受最小间隙和振动幅度的影响，但圆柱-壁面碰撞仅引起瞬态冲击载荷，并不改变圆柱的持续振动特性。Wang等人[20,21]对近壁圆柱流体诱导振动的内在机制进行了实验研究。结果表明，与静止圆柱在临界间隙处观察到涡脱落被抑制不同，弹性安装圆柱即使在极小的间隙比（G/D = 0.05）下仍能维持流体诱导振动。这为后续两个近壁圆柱串列配置的数值模拟研究奠定了基础。Chen等人[22]系统研究了壁面对近壁圆柱涡激振动的影响。当间隙比小于0.6时，减小间隙比会显著增加附加质量并减小最大流体诱导振动幅值。这一现象归因于小间隙引起的流场结构和涡脱落模式变化所导致的近壁圆柱压力分布的不对称性。

基于单个近壁圆柱的研究，研究人员进一步通过物理实验对涉及两个圆柱的更复杂近壁系统进行了研究[4]。这些研究聚焦于圆柱-壁面效应与圆柱-圆柱效应之间的耦合相互作用及其相互竞争关系。Wang等人[23]在Re=6300条件下实验研究了近壁串列双圆柱的绕流，并根据圆柱间排距比将流场分为延体区（1.0 < T/D < 2.0）、再附着区（2.0 < T/D < 4.0）和冲击区（T/D > 4.0）。这一分类仅适用于间隙比G/D > 1.0的情况。结果进一步表明，在小至中等排距比下，上游圆柱剪切层再附着到下游圆柱表面会显著改变下游圆柱上的压力分布，导致流体动力载荷显著增加。Zhou等人[24,25]通过系统的PIV实验研究了间隙比对近壁圆柱绕流涡演化影响的机制。结果表明，壁面的存在导致圆柱上下的尾流涡变得不对称，尾流涡周期性地在壁面上诱发二次涡。Assi等人[26]实验研究了Re=3000至13000范围内两圆柱串列的流体诱导振动特性，其中上游圆柱固定，下游圆柱自由振动。对上游圆柱尾流对下游圆柱流体诱导振动特性的影响进行了系统分析，排距比范围为T/D = 2.0至5.6。结果表明，在T/D = 3.0至5.6的排距比范围内，驰振类现象占主导地位。在随后的实验中，Assi等人[27]明确指出，上游圆柱的流体诱导振动频率或上游圆柱的涡脱落对于维持下游圆柱的流体诱导振动响应至关重要。

除了通过物理实验研究涉及两个圆柱的近壁系统的流体诱导振动特性外，一些研究者还利用数值模拟进行了研究。Harichandan和Roy[28]表明，在雷诺数Re=100和200条件下，近壁串列双圆柱的流动特性对雷诺数的敏感性高于间隙比，雷诺数在此类流动中起主导作用。与单个近壁圆柱的绕流相比，串列双圆柱的尾流在诱发下游壁面边界层不稳定和流动分离方面的作用显著减弱。这意味着与单个圆柱的情况相比，两个圆柱与壁面边界层之间的相互作用机制发生了根本性变化。Chen等人[29]通过数值模拟系统揭示了单个两自由度近壁圆柱流体诱导振动的内在机制。结果表明，根据边界层厚度可区分三种具有显著不同动力学响应特性的区域，在区域II中圆柱的顺流和横向振动幅值均出现峰值。Chen等人[30]采用浸入边界法系统研究了三种排距（1.5D、3.0D和5.0D）、两种间隙距离（0.6D和1.5D）以及无壁面条件对低雷诺数下近壁串列双圆柱流体诱导振动特性的影响。结果表明，壁面的存在显著改变了近壁串列双圆柱的动力学响应特性。具体而言，在不同间隙比和排距比下观察到多个滞后区域。在两自由度情况下，顺流振动幅值与横向振动幅值相当。振动轨迹表现出从椭圆模式到混沌模式的多样化转变。Yin等人[31]研究了Re=200下不同间隙比和排距比时近壁并排双圆柱的流体诱导振动特性，揭示了壁面-圆柱和圆柱-圆柱相互作用影响近壁并排圆柱涡激振动特性的机制。结果表明，近壁并排圆柱流体诱导振动的锁定区依赖于排距比，圆柱的尾流模式对间隙比和排距比均敏感。近壁并排圆柱产生丰富多样的涡脱落模式，包括不规则模式、2S、P+S、双C、双2SI和双2SII模式。在此基础上，Yin等人[32]利用数值模拟系统分析了攻角（α = 0°–90°）和间隙比G/D = 0.4和0.9对近壁双圆柱涡激振动特性的影响。当攻角α = 0°时，在近壁串列双圆柱中观察到两种新的涡脱落模式，即S-Ic和2S-Ib。Sumner[33]表明，随着排距比的增大，串列双圆柱中上游圆柱的剪切层从包裹下游圆柱过渡到再附着到其表面，剪切层再附着更频繁地发生在下游圆柱的后表面上。与延体区和再附着区中的尾流涡相比，下游圆柱产生的尾流涡尺寸更大但强度更弱。Farrant等人[34]表明，在小排距比下相邻圆柱的涡脱落是同相的，而随排距比增大则变为不同相。Abedi等人[35]研究了排距比T/D = 2.0、3.0和4.0以及间隙比G/D = 1.0对近壁串列双圆柱流体诱导特性的影响。结果表明，上游圆柱的尾流干涉导致下游圆柱的流体诱导振动幅值显著高于上游圆柱。此外，两个圆柱之间存在"振动失谐"现象，表现为振动频率的差异以及相位差在-180°至180°范围内周期性变化。Qi等人[36]采用重叠网格方法数值模拟了具有相同参数的两圆柱串列的流体诱导振动特性。研究发现，串列双圆柱流体诱导振动的临界碰撞排距比为T/D = 2.6，且下游圆柱最大横向振动幅值对应的减缩速度高于孤立圆柱。这表明在高减缩速度下，上游圆柱的尾流涡加剧了下游圆柱的流体诱导振动。

现有研究已系统考察了单个近壁圆柱或两圆柱系统的流体诱导振动特性，揭示了不同间隙比下壁面效应如何影响近壁圆柱的流体诱导振动特性，包括锁定区扩展、振动失同步、幅值重构、流体动力载荷重分布和涡脱落模式不对称等。同时，现有研究表明在极小间隙条件下流体-结构相互作用效应占主导地位，间隙比与排距比的耦合调谐构成了控制双圆柱流体-结构相互作用系统响应的关键参数。尽管在近壁双圆柱系统的流体诱导振动研究方面已取得大量进展，但关于解释串列近壁双圆柱系统中圆柱-壁面碰撞的研究仍然有限。

特别是，圆柱壁碰撞对近壁双圆柱流固耦合系统的振动特性和涡脱落模式的影响机制仍有待进一步阐明。解决这些科学问题将有助于推进近壁多圆柱系统流激振动理论的理解，并为海底管道的空间布置和安全设计提供必要的理论指导。

**流体-结构相互作用理论模型**

本研究建立的计算模型基于FLUENT平台。选取SST k-ω湍流模型对雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程进行封闭。采用有限体积法对RANS方程进行离散化。基于Newmark-β方法的圆柱涡激振动响应程序，配合宏DEFINE_CG_MOTION，用于计算圆柱周围的流场和圆柱结构的振动响应。

**流固耦合方法**

**计算域**

本研究所用的数值模型如图3所示。计算域长度为60D，宽度为40D，其中上游圆柱中心距离入口20D，距离出口40D。关于边界条件，在入口施加均匀来流条件，出口指定压力出口条件。上边界设为对称边界，下边界处理为无滑移壁面。

**流激振动响应特性**

图6、图7、图8、图9分别展示了在间隙比G/D = 0.5和G/D = 0.9时，不同间距比下两个近壁圆柱在来流和横向方向上的振动幅值随折减速度的变化对比。为了系统研究间距比对串联排列的近壁双圆柱流激振动特性的影响，对近壁孤立圆柱的来流和横向振动幅值

**结论**

本研究采用数值模拟方法，考虑圆柱-壁面碰撞效应，系统研究了串联排列的近壁双圆柱的流激振动（FIV）特性。详细分析了间隙比、间距比和折减速度的耦合机制对振动响应、水动力特性、壁面碰撞行为和涡脱落模式的影响。主要结论总结如下：

**间隙比**

**数据可用性声明**

支持本研究结论的数据可向通讯作者提出合理请求获取。

**CRediT作者贡献声明**

张家豪：撰写——初稿，软件，方法论，调查研究，概念化。韩向阳：撰写——审阅与编辑，软件，资源。苏军龙：监督，数据管理。凌秀梅：撰写——审阅与编辑，验证，软件，数据管理。罗宏旗：撰写——审阅与编辑。任迪：撰写——审阅与编辑，软件，数据管理。孟展斌：撰写——审阅与编辑，软件，数据管理。唐幼红：撰写——审阅与编辑，验证。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

本研究受到国家自然科学基金（52561043, 52201304）、广西自然科学基金（2025GXNSFAA069577, 2026GXNSFHA00640247）、广西重大科技项目（AA24206015, AA22068105）和广西重点研发计划（AB25069083）的支持。

张家豪 | 韩向阳 | 苏军龙 | 凌秀梅 | 罗宏旗 | 任迪 | 孟展斌 | 唐幼红 | 付飞