串联布置的两个密封触须圆柱体的流致振动：一项数值研究

《Ocean Engineering》：Flow-induced vibrations of two seal-whisker cylinders in tandem arrangement: A numerical study

本研究通过低雷诺数数值模拟，探究海豹胡须启发圆柱体串联布置下，流场间距与攻角对流体诱导振动及尾流干扰的影响规律，揭示小间距高攻角易引发强不稳定性，大间距通过尾流恢复实现振动抑制，为海洋工程结构设计提供理论支撑。

　　在海洋工程领域，流致振动（Flow-induced vibrations, FIV）是常见的流体-结构相互作用现象，其对海洋结构的稳定性与安全性具有重要影响。FIV通常发生在流体流动经过钝体结构（如立管、管道或平台构件）时，由于交替脱落的涡旋所产生的周期性力，导致结构发生振动。这种振动可能引发结构疲劳、降低稳定性，甚至导致结构失效。因此，如何有效抑制FIV成为海洋工程研究的重要课题。在实际应用中，单一结构的FIV抑制往往难以满足复杂流场条件下的需求，因此研究多体结构在流场中的相互作用机制显得尤为关键。

本文的研究对象是受海豹胡须启发的钝体结构，探讨在不同轴向间距和攻角（Angle of Attack, AoA）条件下，双体结构的FIV行为及流场特性。海豹胡须的独特几何形态，如波浪状表面和逐渐变细的结构，为被动振动抑制提供了自然的范例。通过数值模拟，研究者发现海豹胡须能够显著降低流致振动的幅度，从而实现对周围流场的高灵敏度感知。这一特性使得海豹胡须成为“被动水动力传感”的典范，也为工程领域提供了新的思路。

在多体结构的流致振动研究中，轴向间距是影响结构振动响应的重要因素之一。当两个钝体结构呈串联排列时，上游结构的不稳态尾流会对下游结构产生显著影响。根据经典研究，轴向间距的大小决定了尾流干扰的模式，包括“延伸体”、“再附着”和“共脱落”三种主要流场状态。在“延伸体”状态下，两个结构几乎作为一个整体，上游结构的剪切层会包裹下游结构，从而对下游结构的振动产生一定的抑制作用。在“再附着”状态下，上游结构的剪切层会在下游结构表面重新附着，改变下游结构的受力情况。而在“共脱落”状态下，两个结构的尾流会独立脱落，不再受到显著的干扰。因此，轴向间距的选择对结构的振动响应具有决定性作用。

除了轴向间距，攻角（AoA）同样对流致振动的行为产生重要影响。在实际的海洋环境中，水流可能以不同的角度冲击结构，或者结构本身可能具有特定的倾斜角度。这种倾斜或偏转会破坏流体脱落涡旋的对称性，进而改变结构的受力分布和振动模式。研究表明，攻角的变化能够显著影响振动幅度和响应类型。例如，当攻角偏离零度时，某些结构可能会从单纯的FIV转变为FIV与摆动（galloping）的混合响应。此外，攻角还可能影响结构的稳定性，例如在零度攻角下，结构的振动幅度最小，自激噪声也最低。因此，攻角的选择对于优化结构的振动响应和流场感知能力至关重要。

本文的研究重点在于分析轴向间距和攻角对串联排列的海豹胡须形状结构的流致振动行为的影响。研究者采用高保真度的流体-结构耦合模拟方法，对不同间距和攻角条件下的双体结构进行系统分析。通过观察力系数的变化、振动幅度的差异以及尾流结构的演变，研究者揭示了轴向间距和攻角如何共同调控结构的振动响应。研究结果表明，在零度攻角下，当轴向间距为6T时，下游结构的振动最为显著，这可能是由于上游结构的不稳态尾流持续作用于下游结构。而在更大的轴向间距（如8T）下，尾流的扩散作用会减弱上下游结构之间的相互影响，从而抑制下游结构的振动幅度。

此外，研究还发现，随着攻角的增加，上游结构的振动幅度会增强，这主要是由于三维尾流动力学的增强。例如，当攻角从零度增加到90度时，上游结构的振动响应会变得更加剧烈，而下游结构则可能受到一定程度的遮挡，振动幅度随之减小。这一现象表明，攻角的调整不仅可以改变结构的受力状态，还可能成为调控多体结构流致振动的一种有效手段。因此，针对不同应用场景，设计合理的轴向间距和攻角组合，对于实现结构的稳定性和功能性的平衡具有重要意义。

在工程应用方面，受海豹胡须启发的结构设计在多个领域展现出巨大的潜力。例如，在流致振动抑制方面，采用波浪状表面的结构可以显著降低周期性力的强度，从而减少结构的振动幅度。这种设计不仅适用于海洋工程中的立管和平台构件，还可以用于其他需要被动振动抑制的结构，如桥梁、风力发电机叶片等。在流场感知方面，海豹胡须的结构特性使其能够有效捕捉周围流场的微小变化，这一特性被应用于水下传感器的设计，以提高其对目标物体的感知能力。此外，海豹胡须的几何形态还可以用于能量采集系统，通过优化结构的振动响应，实现对流体能量的高效利用。

尽管已有大量关于单个海豹胡须结构的研究成果，但关于多个胡须形状结构在流场中的相互作用仍存在许多未解的问题。例如，当多个结构处于接近位置时，它们的尾流和振动可能会产生复杂的相互作用，甚至引入额外的振动噪声。因此，有必要对多体结构的流致振动行为进行更深入的研究，以揭示其相互作用的机制。本文的研究结果为多体结构的设计和优化提供了理论依据，特别是在考虑攻角和轴向间距的协同作用时，能够为实际工程应用提供重要的参考。

综上所述，本文通过数值模拟的方法，系统分析了轴向间距和攻角对串联排列的海豹胡须形状结构的流致振动行为的影响。研究结果表明，轴向间距和攻角的协同作用在调控结构的振动响应和流场特性方面具有重要作用。较小的轴向间距和较高的攻角会导致更强的不稳态流场作用，从而增强结构的振动幅度。而较大的轴向间距则有助于尾流的恢复和扩散，从而抑制结构的振动。此外，攻角的变化还可能改变结构的受力分布和振动模式，进而影响其流场感知能力。这些发现不仅加深了对流致振动机制的理解，也为工程领域的结构设计和优化提供了新的思路。通过合理调整轴向间距和攻角，可以实现对多体结构流致振动的有效控制，从而提升结构的稳定性、安全性和功能性。