管(管阵)系统在蒸汽发生器、桥梁工程、河流工程以及深海工程中有着广泛的应用,管道的动力学问题可能直接影响整个工程系统的安全性。自然界的真实流场大多是以剪切流的形式出现的,因此对剪切流作用下的管(管阵)结构的研究具有重要意义和价值,需要进行深入分析与研究。本文基于ANSYS Workbench平台,运用双向流固耦合方法,分别建立了低雷诺数环境中横向剪切流作用下的单管、竖排两管和等边三管等分析模型,计算了在不同剪切率以及管间距下系统的响应。主要包括如下内容。以桥梁拉索和海底管道等为应用背景,研究了横向剪切来流作用下两端固支弹性管绕流问题,计算分析了横向剪切流作用下管道系统响应。探究了剪切率对弹性管振动的影响,发现不同剪切率对升力系数大小的影响很大,150雷诺数下单管结构的运动轨迹以‘8’字形轨迹运动。从各监测点的y方向位移时程图发现剪切率的变化对单弹性管的结构响应影响很大。从涡量图中可以看出150雷诺数时单管的泄涡模式主要为2S模式,随着剪切率的增大,整个流场的涡量强度是逐渐加强的,剪切率较大时流场上涡街强度逐渐增强,下涡街强度逐渐减小,圆管尾流区沿展向不同截面上的速度分布区别很大呈现出了明显的三维特性。通过一个流固耦合相互作用周期,揭示了剪切来流VIV涡动力特性。以海底拉索和海底多管线系统等为应用背景,研究了横向剪切来流作用下两端固支竖排两弹性管绕流问题。分别探究了管间距的变化对两管的涡脱现象影响以及剪切率变化对竖排两管结构响应的影响。计算结果表明:管间距的变化对管1和管2的升力系数曲线以及升力系数曲线的主频和主频幅值影响较大,管1的升力系数主频是先减小后增加的,升力系数主频幅值是一直增加的,管2的升力系数主频逐渐增大,升力系数主频幅值先减小后增加。管1中间截面监测点的y方向位移幅值逐渐增大,管2中间截面监测点的y方向位移幅值先增加后减小。进一步,在对竖排双弹性管绕流分析的基础上,对等边三管绕流展开研究,探究三管模型的涡激振动特性。分析了剪切率对等边三管模型结构响应影响的规律。三管的管间距的变化对升力系数曲线影响较大,总体来说升力系数振幅随管间距的增加先增大后减小,2.5D到4.5D时升力系数幅值逐渐变大,5.0D后振幅又逐渐变小。管E中间截面在y方向的振幅在管间距为4.5D的时候达到最大且管E的y方向的振幅明显高于上游两管;升力系数主频逐渐增加达到一个定值,主频幅值先增加后减小,整体趋势和监测点的振幅趋势基本一致。受剪切流的影响流场上侧的涡量比下侧涡量强度要大;小间距比的时候管C的泄涡模式受下游管E的影响,在管上侧形成单涡S模式,间距比增大后转变为2S模式,管C下侧开始出现涡脱;管D初始为泄涡模式为单行涡街S模式,随着管间距的增加演变为双行涡街2S模式;管E初始为泄涡模式为单行涡街P模式,随着管间距的增加演变为2S模式。同一时刻圆管尾流区沿展向不同截面上的速度分布和压力分布并不相同,此时流场呈现出了明显的三维特性。