水域内的垂直管柱在油气开采运输中广泛存在,由于内、外流体作用而产生的管柱振动问题是水下管柱疲劳失效的主要原因,管柱失效会带来一系列的经济、安全和环保等问题,探讨水流冲击下垂直管柱振动响应规律,研究其振动响应机理,对于合理布置水下管柱及预防管柱疲劳失效具有重要的理论意义和应用价值。本文以水下石油开采常见的单、双、多管柱为研究对象,考虑内、外流和管柱耦合作用,开展水流冲击下垂直管柱振动响应特性的实验研究和数值仿真,主要研究工作如下:根据涡激振动理论,运用计算流体力学和结构力学开展水下垂直管柱流固耦合数值分析。流体域分析采用有限体积法、结构域分析采用有限单元法,建立考虑内、外流体与管柱变形、振动相互作用的三维流固耦合运动数值分析模型,通过耦合界面多物理量迭代算法实现管柱表面瞬时载荷的准确表征,该模型可以对管柱绕流和涡激振动问题进行准确描述,通过采用充分耦合的时间推进算法进行分域求解,保证求解的同步性和精度,为内、外流共同作用下管柱振动响应计算提供了数值模型和计算方法。为了深化对水流冲击下管柱振动响应物理过程和机理的认识,同时验证数值模型的正确性,搭建内流循环系统、外流循环系统、数据采集处理系统等组成的水下垂直管柱振动响应测试实验平台,进行相似比垂直管柱涡激振动物理模型实验,开展单管柱、串联双管柱振动响应因素分析实验研究,测试内流、外流、间距比对垂直管柱的振动影响,获得不同因素下管柱沿长度方向不同测试点的位移振动响应、自振频率、模态等参数的变化规律。实验结果表明,内、外流速对管柱自振频率和振动幅值均产生影响,外流速度的增大使管柱出现多阶控制的现象,串联双管柱受间距比的影响其动力响应特性与单管柱比较有明显变化,在间距比小于4时管柱振动被明显抑制。利用本文发展的三维数值模型,深入研究典型流速下的单、双、多管柱流场水动力特性。通过流场数值算例,详细分析不同因素下管柱周围流场与漩涡脱落形式之间的关系,揭示流场变化对管柱受力的影响和附属管柱对管柱涡激振动的抑制机理。对单管柱的流场分析表明:内流速度的增大使流场速度、压力分布不稳定,进而加剧管柱振动;外流速度的增大使得管柱前端绕流场压力和后方负压增大。对串联双管柱的流场分析表明:不同间距比下串联双管柱间流场存在三种不同的漩涡脱落形式,前、后管柱升阻力系数存在突变现象;来流角度对等直径双管柱的升力和阻力存在明显影响,阻力系数在来流角度θ=40°时存在一个断点,升力系数在来流角度θ=10°时存在一个断点。对多管柱流场分析结果表明:在本文研究的两个间距比范围内,带六个附属管柱的多管柱系统,升、阻力系数都明显小于单管柱,主管柱振动被明显的抑制,并且直径比对主管柱受力影响较小。通过水下垂直管柱流固耦合数值模拟计算,对流固耦合振动过程中管柱结构的振动响应特性进行研究,探讨管柱振动的频率锁定现象和振动响应的非线性行为,从来流速度、质量比、间距比、来流角度进行了详细分析,并得到了相关结论,研究结果表明:质量比越大管柱振动响应越小,随着外流速度的增大几种质量比的管柱参与振动的高阶模态增多。对双管柱结构振动响应分析表明:不同排列方式的双管柱受力与间距比有关,在流速较高时振动幅值远大于单管柱,这说明双管柱排列方式对来流角度和间距比都较为敏感,来流角度的改变可能会加剧管柱振动。对带六个附属管柱的多管柱结构振动响应分析表明:主管柱的振动响应幅值在本文研究的两个间距比范围内明显减小,并且对来流角度适应性好,几种来流角度下的主管柱振动响应幅值均减小了50%左右。通过本文的研究,建立了一套水下垂直管柱振动响应测试实验系统,形成了一套水下垂直管柱流固耦合数值模拟分析方法,为流体作用下的管柱系统的流固耦合分析提供了有效的方法和手段,研究成果可以为海上钻井平台立管系统、钻井隔水管系统等水下管柱的布置方式及振动抑制方法提供参考。