随着油气开采向深水方向发展,多柱体系统作为深海石油开采工程中普遍采用的一种结构型式,被广泛应用于海洋平台、立管、海底管线及锚系系统中。然而由于管群和管线系统往往排列密集,极易在波、浪、流及海上浮式生产储油船受迫牵连振动联合作用下发生管体及管体之间的相互碰撞而导致破坏。此外,由于所处深水环境海况极为复杂,多柱体系统往往会受到不同方向来流的影响。针对该问题,本文采用物理模型试验和数值模拟相结合的手段开展了四圆柱在不同来流条件下绕流与涡激振动研究,主要研究工作如下:1.采用粒子图像测速技术(PIV)开展了间距比L/D=1.5、2.0工况下方形布置四柱体在不同来流角α(α=0°、15°、30°、45°)条件下绕流流场特征试验研究,获取了四圆柱在不同来流角度下的瞬时和时均尾流流场,分析了瞬时和时均速度矢量、涡量等值线和流线拓扑随来流角度变化的规律。试验结果表明,来流角度对方形布置四圆柱尾流形态有较大影响。根据不同来流角度,可将四圆柱后的尾流形态分为三种:延伸体流动流态(α=0°),尾流剪切层附着流态(α=15°、30°),尾流剪切层共同脱落流态(α=45°)。随着来流角度的增大,四圆柱后断面平均流向速度由“W”形变为“U”形分布。2.采用计算流体力学(CFD)方法对雷诺数Re=150层流条件下间距比L/D=1.5、2.0、3.0、4.0、5.0串列双圆柱和间距比L/D=3.0、4.0、5.0方形布置四圆柱涡激振动进行了数值模拟研究,重点分析了间距比变化对串列双圆柱和方形布置四圆柱升阻力系数、动力响应和尾流模态的影响。研究结果表明:随着间距比的增大,串列双圆柱中上游圆柱的无量纲振幅逐渐与单圆柱趋于一致,而下游圆柱的无量纲振幅仍然维持在较大值,说明随着间距比的增加,下游圆柱对上游圆柱的影响逐渐减弱,而下游圆柱即使在很大的间距下仍然受到上游尾流的影响。上游圆柱的CD在约化速度Vr=5时达到最大值,而下游圆柱的CD在约化速度Vr=7时达到最大值。间距比L/D≤3.0时,约化速度Vr=3下游圆柱尾涡单行交替脱落。间距比L/D=4.0、5.0时,约化速度Vr=3下游圆柱尾涡两排排列。方形布置四圆柱在不同间距下上游圆柱流向和横向振幅均在约化速度Vr=5时达到最大值,出现双共振现象,且在间距比L/D=3.0条件下上游圆柱流向振动的振幅大于间距比L/D=4.0、5.0情况。在各间距条件下下游圆柱的横向振幅均在约化速度Vr=7时达到最大值。间距比L/D=3.0条件下,约化速度Vr=3和Vr=13尾流模态反对称,而在约化速度Vr=9时,上游的两个圆柱和下游的两个圆柱同向协同运动,下游圆柱附近的尾涡复杂。间距比L/D=4.0、5.0条件下,约化速度Vr=3时下游圆柱尾涡两排整齐排列,在约化速度Vr=7、13时下游圆柱尾涡单行交替脱落。3.采用计算流体力学(CFD)方法开展了雷诺数Re=150层流条件下不同来流角α(α=0°、15°、30°、45°)下方形布置四圆柱涡激振动的数值模拟研究,重点分析了不同来流角度和约化速度条件下下四圆柱的动力响应、受力特性、运动轨迹和尾流模态等结构动力响应和尾流形态特征的影响。研究结果表明:由于四圆柱之间的相互影响,其动力响应明显不同于单圆柱,来流角对下游圆柱的影响大于上游圆柱。随着来流角的增大,圆柱2的流向振幅和横向振幅大于其他三个圆柱。在研究的来流角范围内,四圆柱的平均阻力系数都随着约化速度的增大而增大,然后略有减小。四圆柱的平均升力系数随着来流角的增大而变化,尤其在约化速度Vr<8处。此外,对于升力系数均方根值和阻力系数均方根值来说,圆柱2明显比其他三个圆柱更敏感。四圆柱的运动轨迹和涡脱模态不仅取决于约化速度,而且与来流角有关。随着来流角的增大,每个圆柱的运动轨迹与涡脱模态均存在一定差异。