近日，课题组在流体力学顶刊《Journal of Fluid Mechanics》上发表了一项题为“Large-eddy simulation of two-degree-of-freedom vortex-induced vibration of a circular cylinder at Reynolds number 10000”的研究。采用高精度大涡模拟方法，系统研究了雷诺数10000、质量比2.6、约化速度1.13–14.70全响应分支下圆柱双自由度涡激振动这一经典问题，揭示了新的涡激振动响应特征和流固耦合机理，为海底管道涡激振动防控设计提供关键理论支撑。
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研究背景
涡激振动是海洋工程和流体力学领域的经典问题。当海流流经海底管道、立管、缆索等圆柱体结构物时，会发生周期性旋涡脱落。当涡脱频率接近结构固有频率时，易诱发结构共振，进而导致结构疲劳损伤。因此，准确预测圆柱结构的涡激振动响应，对海底管道悬跨安全评估、疲劳寿命计算和工程安全设计具有重要意义。
圆柱双自由度涡激振动示意图
圆柱涡激振动时的尾涡结构
研究内容
以往关于圆柱涡激振动的研究主要关注横流向响应，因为横流向最大振幅（约1.3倍管径）远大于顺流向最大振幅（约0.3倍管径）。然而，海底管道工程设计中，只允许管道发生小幅振动。因此，虽然顺流向振幅较小，但却可能主导管道的疲劳损伤累积，故需准确预测顺流向小振幅响应。基于此，本文聚焦双自由度涡激振动中的顺流向响应，量化并阐释其振幅响应、频率特征以及双向振动之间的耦合/解耦关系，主要发现如下：
①基于高精度大涡模拟，准确量化了双自由度涡激振动响应特征。本文得到的顺流向和横流向振幅响应与Jauvtis & Williamson (2004)经典试验、海底管道设计规范DNV-RP-F105高度吻合。在此高质量验证的基础上，本文借助高精度数值计算结果，进一步揭示了新的涡激振动响应特征和物理机制。
②首次数值证实顺流向响应存在三个振幅分支（下图中的Inline–I、Inline–II和Inline–III）。其中，Inline–I和Inline–II属于DNV-RP-F105重点关注的小振幅响应区间，是海底管道疲劳分析重点考虑的响应范围；Inline–III的顺流向和横流向振动响应显著增大，已超出海底管道工程设计的允许振幅。
顺流向和横流向振幅响应
③Inline–I和Inline–II分支存在双主控频率。Jauvtis & Williamson (2004)经典试验在各约化速度下仅给出单一主频（如下图），而本文基于高精度大涡模拟结果，进一步识别出频率响应中的两个新特征：
· Inline–I和Inline–II分支并非由单一频率控制，而是同时受到结构振动频率（fy* ~ 1）和尾涡脱落频率（fy* ~ St0）的影响，展现出半锁定状态。
· 在Inline–I分支的Vr ≤ 2.60区间，横流向频率为自然涡脱频率fy* = St0，而不是经典试验认为的共振频率fy* ~ 0.5，表明横流向并未发生共振。
横流向频率响应（与经典试验对比）
④顺流向与横流向振动的耦合/解耦机制
· 在Inline–I分支的Vr ≤ 2.60区间，顺流向共振并不诱发横流向共振，横流向主频fy* = St0，圆柱运动轨迹呈现出顺流向主导的“一”字形，双向振动解耦（fx*/fy* ≠ 2），横流向几乎不发生振动。
· 然而，在Vr = 1.70的完美顺流向共振（fx* = 1）条件下，横流向共振被强烈激发，双向振动耦合，形成全新“O”字形振动轨迹（fx*/fy* = 1）。
· 在Inline–II分支内，顺流向振动诱发横流向振动，双向振动耦合，运动轨迹转变为“8”字形（fx*/fy* = 2），横流向振幅逐渐增大。
· 在Super-upper和Lower分支中，振动主导关系转变为常见状态，即横流向振动诱发顺流向振动，双向振动耦合，运动轨迹呈“8”字形（fx*/fy* = 2）。
顺流向与横流向频率响应
研究展望
未来，课题组将进一步开展海底管道涡激振动和疲劳寿命计算评估相关研究。以当前高精度数值结果的验证和机理研究为基础，进一步探究不同管道重度、湍动来流等超规范因素对涡激振动的影响，从而优化计算管道的涡激振动响应和疲劳寿命，为管道的优化设计和运维决策提供更精准可靠的理论依据。
论文第一作者为蒋弘毅研究员，主要从事海洋结构物（海洋管缆、海上风机等）的水/气动力特性和流体力学机理研究。（https://person.zju.edu.cn/hjiang）
原文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11545
