分离板对圆柱体双自由度涡激振动影响的数值研究
摘要
圆柱体作为自然界和工程界中的常见结构，在实际工程中的应用十分广泛，如海洋
平台的支撑柱和立管、桥梁的桥墩、烟囱等。在一定来流的作用下，圆柱体常因粘性流
的分离发生“涡激振动”现象，如果漩涡的脱落频率接近圆柱体的固有频率，就会产生
共振，圆柱体的振幅会急剧增大。长期以往，会导致结构的失效和破坏，对结构的安全
性和稳定性有极大的威胁。因此，探索圆柱体涡激振动的抑制方法具有非常重要的理论
意义和实际工程价值。
本文从双向流固耦合算法切入，采用专业的计算流体力学软件ANSYS，基于DES
方法和简化的质量-弹簧-阻尼模型，在Workbench中实现了圆柱体双自由度涡激振动双
向流固耦合的数值模拟。在验证了数值算法正确性的基础上，开展了在圆柱体背压区附
加分离板对三维圆柱体双自由度涡激振动影响的数值模拟研究。重点研究了不同约化速
*
度下（U=2.22~15.56），分离板对低质量阻尼比刚性圆柱体双自由度振动特性和流体
的动力特性的影响。
数值研究结果显示：附加分离板对圆柱体的振幅、频率、轨迹、流体力以及漩涡发
*
放均有影响。在U≤11.11时，圆柱体的振幅受到抑制，带分离板圆柱体并没有像光滑
圆柱一样进入“锁定区域”，分离板对顺流向和横流向最大振幅的抑制率分别达到了93%
和80.2%，圆柱体的运动轨迹由经典的“8”字形变为混乱的不规则形状。分离板使圆柱
体后方的剪切层被拉长，漩涡在圆柱体后方更远的区域形成和发展，圆柱体所受升、阻
*
力均明显降低，分离板对圆柱体的涡激振动起到了很好的抑制作用。而当U11.11后，
剪切层重新附着在分离板上，圆柱体从流动中提取能量导致圆柱体的振幅显著增大，圆
柱体发生“驰振”，振幅超过光滑圆柱，分离板加剧了圆柱体的振动。
关键词：圆柱体；双自由度涡激振动；分离板；涡激振动抑制；双向流固耦合
分离板对圆柱体双自由度涡激振动影响的数值研究
Abstract
Asacommonstructureinnatureandengineering,cylinderiswidelyusedinpractical
engineering,suchasthesupportcolumnandriserofoffshoreplatform,bridgepier,chimney
andsoon.Undertheactionofacertainincomingflow,thecylinderoftenhas“vortex-induced
vibration”phenomenonduetotheseparationofviscousflow.Ifthesheddingfrequencyofthe
vortexisclosetothenaturalfrequencyofthecylinder,resonancewilloccur,andtheamplitude
ofthecylinderwillincreasesharply.Inthelongrun,itwillleadtothefailureanddestruction
ofthestructure,whichisagreatthreattothesafetyandstabilityofthestructure.Therefore,it
isofgreattheoreticalsignificanceandpracticalengineeringvaluetoexploremethodsfor
suppressingvortexindu