生物学家发现海豹依靠其胡须进行捕猎,胡须在均匀来流中能够抑制涡激振动的产生并保持良好的稳定性,而当上游有鱼类尾迹存在时,胡须结构产生明显的振动,海豹通过胡须的振动判别并跟踪鱼类尾迹。这说明海豹胡须存在着独特尾流场结构和流致振动现象,这为钝体绕流的被动控制提供了新的仿生学思路。但迄今为止,对海豹胡须的流动控制机制及其振动响应特性缺乏全面深入的实验分析验证。之前的研究结果只宏观展示了其后复杂的三维尾流场,海豹胡须结构对尾流场时均及湍流统计特性的影响机制并不清楚,海豹胡须对脱落的漩涡结构的抑制效果并未得到全面的阐述。且攻角变动对尾流场特征的影响也未考虑。而针对海豹胡须的涡激振动响应和振动状态下的尾流场特征同样缺乏实验数据的支撑。本文将海豹胡须模型的尾流场及其流致振动响应作为主要研究对象。通过高时间分辨激光粒子测速系统(TR-PIV)对其尾流场进行测量,结合动力学模态分解揭示了其后的尾流场及卡门涡脱特征。搭建流致振动平台对海豹胡须模型在不同来流工况下的振动响应进行观测,以揭示其流致振动特征。并对其振动状态下的尾流场进行了观测,揭示了模型振动与尾流场的耦合关系。为了揭示海豹胡须模型的复杂几何结构对钝体绕流的控制作用,在水槽中通过TR-PIV实验对比了海豹胡须模型(θ=0~0)和其他圆柱模型的流场,并将动力学模态分解应用到流场分析中,获取了模型后的卡门涡街的时空特性。实验结果表明:海豹胡须模型复杂的三维几何结构使得其后尾流场受到了明显的干扰,回流区收缩且更加稳定,流场中脉动衰减明显。鞍点和节点截面内卡门涡脱落不仅强度明显减弱且脱涡频率不一致。在沿展向截面内模型背风侧出现一对反向回流涡破坏了流场的二维性。为了揭示攻角变化对海豹胡须模型尾流场的影响,在水槽中针对不同攻角工况下模型的尾流场进行了TR-PIV测试。实验结果发现:随着攻角的增加,鞍点和节点截面内卡门涡的强度逐渐增加,流场脉动增强,回流区内流动更趋于不稳定。通过动力学模态分解提取和分析流场中的卡门涡结构的空间特性和非定常特性发现:鞍点和节点截面上的脱落频率逐渐接近,卡门涡街强度增强。在攻角增加到60~0以后,两者频率一致,但随攻角的增加,脱涡频率变小。为了揭示海豹胡须模型的流致振动响应,在风洞中搭建了流致振动平台研究了在均匀来流和扰动来流下的振动响应。实验结果发现:在均匀来流中,θ≤30~0时,涡激振动被抑制,模型保持良好的稳定性。θ>30~0以后,模型发生明显的涡激振动特性,在“锁定区间”内振动响应呈现明显的三段式分布。且随着攻角的增加,振幅逐渐增强,“锁定区间”逐渐向高约化速度方向移动。通过对固定工况下模型后热膜获取的速度信号进行频谱分析发现,在0~0攻角时,速度信号中未发现明显主频,说明在整个流场内不存在强烈的单一频率的卡门涡脱事件因此未激发模型发生涡激振动;在30~0攻角工况下,在下游区域内速度信号中存在明显主频,但频率并不单一,说明在较下游处,模型的卡门涡脱形成,但频率不单一,仍未能引发明显的涡激振动现象。而在60~0和90~0工况下,频谱中出现明显的主频分别为St=0.15和0.13,这一强烈的卡门涡脱引起了模型的涡激振动现象,且由于主频的减小,导致“锁定区间”向高约化速度方向迁移。在模型上游安装一个光滑圆柱以在来流中生成卡门涡街,观察下游的海豹胡须模型对来流中漩涡结构的响应,结果发现:海豹胡须模型在不同攻角工况下均对来流中的卡门涡街有明显的振动响应,但在大攻角工况(θ=60~0~90~0)下,其模型自身脱落的卡门涡街导致的振动响应依然存在造成强烈的干扰。从模型的振动信号中成功捕获到上游卡门涡的频率特征。通过对比海豹胡须模型(θ=0~0~30~0)和光滑圆柱模型在均匀来流和扰动来流中的响应曲线发现:海豹胡须模型由于在小攻角工况下在均匀来流中未出现涡激振动响应,因此在两种来流工况下响应曲线的区别较光滑圆柱模型更加明显,初步展示了将其用于尾涡探测的可行性。为了研究海豹胡须模型在振动工况下的尾流场,我们在风洞中搭建了基于连续式激光器的TR-PIV系统,并通过对圆柱尾流场的测量和基于脉冲激光器的PIV系统的对比,验证了在不同风速工况下此系统的准确性。讨论了曝光时间对系统准确性的影响,给之后海豹胡须模型尾流场的测量提供了必要的验证基础。通过对比海豹胡须模型在不同振动分支下的流场发现了卡门涡脱落过程与模型振动位置间的相对关系:在“初始分支”阶段,卡门涡能量较弱且出现在下游远离模型的区域内。在模型向一侧振动到最大振幅处时,对应侧的漩涡结构形成;模型振动回中心处时,其中一侧漩涡达到强度极值。在“上分支”顶端处,卡门涡能量最强,且出现在近模型区域内,由于模型强烈的法向方向振动,带动了卡门涡结构在法向方向上的延伸。60~0攻角工况下,鞍点和节点截面内脱涡过程略有差异,在节点截面内,模型向一侧振动到最大振幅处时,另一侧漩涡结构生成。鞍点截面内漩涡的脱落较节点截面内略有滞后。攻角为90~0时,鞍点和节点截面内脱涡过程保持同步。此时模型振动回中心位置处时,一侧漩涡结构生成,模型向上或向下振动到最大振幅处时,此侧漩涡结构达到最强。“下分支”阶段内,卡门涡再次衰减并向下游迁移。在模型向一侧振动到最大振幅处时,另一侧的漩涡结构形成;模型振动回中心处时,其中一侧漩涡达到强度极值。