海底管道是海洋油气资源输运系统中重要的组成部分。在海流冲刷或床面波动的作用下,铺设在海床上的海底管道经常会出现悬跨段,而悬跨段管道产生的涡激振动现象,会进一步加剧管道的疲劳破坏。由于海流方向复杂多变,海流一般会以不同的倾斜角度流过管道,造成海床-管道-流场之间的相互作用更加复杂。为探究海底管道悬跨段在复杂来流条件下流固耦合作用的内在机理,本文将这类问题简化为不同来流倾角条件下近壁面圆柱绕流和涡激振动问题。本文采用基于嵌入式迭代浸入边界法的高效能三维紊流计算程序CgLES_IBM_X,对不同间隙比条件下近壁面圆柱绕流和涡激振动进行三维直接数值模拟研究,其中,来流倾角为α=0°～60°,在层流边界层工况中,间隙比分别为1.6、1.1和0.6;在紊流边界层工况中,采用固定的间隙比0.8。研究发现:1.在层流边界层工况中,随着间隙比的减小,圆柱下侧旋涡脱落受到的抑制程度增大,分别出现“2S”、“弱2S”和“1S”三种脱涡模式。同一间隙比下,随着来流倾角的增加,圆柱脱涡和壁面边界层的卷起之间的相互扰动增大。不同间隙比下,当α<60°时,升、阻力系数和St数的变化均满足独立性原理(IP)。壁面时均压强最小值和剪切应力最大值的幅值均随着间隙比的增加而减小。同一间隙比下,随着来流倾角的增大,圆柱下游壁面时均压强和剪切应力的分布更加不均匀,形成不规则的倾斜条带分布。2.在紊流边界层工况中,尾流发展会依次经过三个不同的变化区间,分别为仅存在展向涡列的二维阶段(区间Ⅰ),平行脱涡阶段(区间Ⅱ)和倾斜脱涡阶段(区间Ⅲ)。当a=0°和15°时,尾流变化仅出现前两个阶段,而当α≥30°时,尾流则会经历三个阶段,最终形成倾斜的脱涡模式。IP不适用于预测倾斜脱涡模式下的升、阻力系数变化,但在a<60°时,IP仍适用于预测St数的变化。3.在紊流边界层工况中,当圆柱涡激振动时,圆柱横向和流向均为一阶振型,振动轨迹为顺时针旋转的椭圆形。此外,IP适用于预测a≤45°下的振幅和a≤60°下的振动频率。