海洋工程中圆柱体的流致振动研究进展

2020年5月，广东虎门大桥发生的流致振动（Flow-induced Vibration, FIV）事件使大众对FIV的关注度急剧上升，也让人马上联想起震惊世界的1940年塔科马大桥的垮塌事件（图1）。众所周知，钝体绕流会产生卡门涡街，其泄涡频率与结构固有频率接近时容易产生涡激振动(VIV)。这可能诱发结构的疲劳破坏，导致结构的安全事故。为了减弱甚至消除这种VIV，在海洋工程领域，人们发明了各种抑制装置，在实际工程中有着广泛应用。近10来年的研究发现，在圆柱结构附加整流罩或分离盘这样的附加结构在一些条件下有很好的VIV抑制作用；然而，在另一些条件下，可能发生比VIV振幅更大，类似于土木桥梁领域方柱结构的驰振（Galloping）现象，这种驰振反而加强振动，加剧破坏。需要我们深入思考和研究这些抑制装置的作用机理，探讨新的FIV抑制装置。

本期栏目中，我们推荐上海交通大学王嘉松教授团队与麻省理工学院机械工程范迪夏博士，在Journal of Hydrodynamics第32卷第3期（2020）发表的关于“海洋工程中圆柱体的流致振动问题”综述文章 A review on flow-induced vibration of offshore circular cylinders(share this artilce: https://rdcu.be/b5u8I)。

图1 (来源于网络）虎门大桥（2020）和塔科马大桥（1940）的流致振动

该文以“单柱体VIV→复杂多柱体WIV→工程抑制与驰振”为主线，由简单到复杂，由抽象模型到实际应用，由实验室和数值研究到工业界实践，翔实地梳理阐述了10多年来学界与业界在海洋工程中圆柱体的FIV问题研究上的进展。

（1）单柱体VIV:强调流固耦合问题的复杂度

FIV中广泛存在着流固耦合（FSI）现象，即结构在流体载荷下发生变形或运动，同时结构又对流场分布产生影响，流固二者相互作用相互影响。FIV的FSI机理还没有被完全阐明，其背后存在着的如附加质量、高阶流体力等问题仍有待进一步研究。FSI的高度复杂性为实验和数值研究提出了诸多挑战。

从刚性结构到柔性结构，从强迫振动到自由振动，FSI的复杂程度逐渐加深。文章对基于三种基本模型的单柱VIV研究做了归纳：（1）受弹性支撑的刚性圆柱；（2）做强迫振动的刚性圆柱；（3）做自由振动的柔性圆柱（图2）。揭示了在均匀来流作用下的刚性圆柱以及柔性圆柱的复杂表现和内在机理，建立了三种基本模型之间的联系。

图2 柔性单管自由振动(左-模型尺度，右-实尺度)

（2）多柱体WIV:总结多柱体结构的流动干涉及流固耦合响应干涉特征

在海洋工程中，许多FIV问题涉及到由两个或两个以上圆柱体组成的柱群或者管丛结构，比如用于海上钻井和生产平台的立管阵列。当流体流经这些近距布置的多管柱体结构时，结构的尾流之间会发生流动干涉形成复杂尾涡形态。若结构可发生变形或位移响应时，尾流与结构间发生再耦合也会导致引起与单圆柱体VIV响应截然不同的结构响应（图3）。

文章从三个方面对柱群FIV干涉的研究作了总结：（1）固定圆柱体的流动干涉形态;（2）上游尾流与下游结构再耦合响应-WIV；（3）典型布置方式下多管柱结构FIV干涉响应特征。

图3 双管FIV干涉（左-模型尺度梯度流，右-实尺度均匀流）

（3）VIV抑制与驰振: 指出传统的抑制措施可能引起galloping，一种更不利的振动

在FIV的作用下，细长海洋结构物发生周期性振动，这会导致静载的增加和严重的疲劳破坏，通过在柱体上适当地附属抑振装置可以抑制这种振动。文章首次收集国内外数据对三种最常用的抑振装置：螺旋列板(helical strake)、整流罩(fairing)和分离盘(splitter plate)的抑制效果做了归纳（图4），表明各有优缺点，有的振幅抑制佳，却加大了曳力；有的曳力和振幅都小，但有时可能导致新的负面影响。尽管附属抑振装置的方法在大量工程领域得到了有效应用，但是研究发现，在某些情况下附属抑振装置可能会导致驰振，反而增大振幅。无论是与固有频率的关系，还是振动幅值的大小，这种驰振与传统的VIV有着本质的不同，它可能是锁頻（空气中），也可能低频（水中），可能是自激的（大约化速度启动），也可能是他激的（与VIV耦合），等等，这些机制有待我们深入研究。从另一角度来看，涡激振动或驰振还可通过能量转化加以获取及利用。

图4 常见VIV抑制装置的效果

（4）文章在最后给出了5点研究展望，表明挑战与机遇并存：

实验与观察仍然是“追本溯源”的核心手段，高精度和高效的CFD方法将成为“追实求真”核心机理和实际工程预报的更受期待的重要工具；
在大长细比、临界/超临界雷诺数、双自由度的实尺度柔性立管或多管等方面亟待进一步研究；
继续挖掘传统抑制方法，探索新型抑振方法，研究各种参数以及流动状态对VIV、WIV甚至galloping抑制效果的影响，通过合理布置抑振方案，在工程实践上消除或减弱结构物的振动；
人工智能/机器学习技术的发展与应用丰富了流体力学的研究方法，带来了研究方式的转变，使得探索广泛的参数空间成为可能；
最后，期待将研究成果转化到工业应用领域，比如为立管在其整个使用寿命内提供准确的响应预测。

作者简介：

王嘉松上海交通大学船建学院长聘教授，博士生导师，上海市闵行区领军人才。主要从事高精度数值计算方法及其应用，涡激振动机理及其抑制，流致振动及驰振，流固耦合，风洞与水槽实验，大气环境动力学等方向的研究，近来也从事流致振动能量获取的研究。作为负责人获上海科技进步一等奖，主要参与者获得中国石油化工联合会科技进步一等奖。担任《Journal of Hydrodynamics》和《水动力学研究与进展》编委。

范迪夏加拿大皇后大学机械与材料工程助理教授，他在2019年获得麻省理工学院机械学院的博士学位，2019-2020任麻省理工学院助理研究员。其主要的研究兴趣为流固耦合，漩涡流体的控制与感知以及仿生流体在船舶操纵上的应用。