由于人类对原油的依赖越来越大,陆上石油的开采进度逐渐不能满足工业发展的需求。油气勘探开发开始由陆上走向海洋,由浅水走向深水。在海上油气开采中,隔水管是连接海上作业平台和海底油气井的重要设备。在波浪和洋流的持续作用下,隔水管可能因为涡激振动(Vortex Induced Vibration,VIV)而遭到破坏,并造成严重的经济、生态和生命损失。因此,隔水管尤其是多管柱的流体动力学和涡激振动研究具有重要的学术价值和工程意义。本文以钻井隔水管为工程背景,对海洋结构中多圆柱流动干涉和涡激振动特征进行了深入研究,主要研究工作如下:(1)通过嵌入多圆柱运动求解模块并修改动网格求解模块,完成了OpenFOAM的二次开发,得到了适用于多圆柱涡激振动模拟的求解器。在此基础上,对大量经典单圆柱和双圆柱绕流以及涡激振动问题进行了模拟。通过与前人实验或数值结果的对比充分验证了本文数值模型和方法的可靠性。(2)对正服役于南海油气开发的实尺寸钻井隔水管的绕流进行了模拟。分析了来流方向对隔水管水动力学特性的影响,初步认识了多尺寸、不规则排列多圆柱系统的水动力学特征,为进一步的模型简化提供了依据。研究发现,附属管能有效抑制主管上的漩涡泄放,并降低主管的升阻力系数。当多根附属管位于主管的下游时,主管上的漩涡因为附属管的夹持而不能泄放,因此主管的升阻力系数能被更有效地降低。采用同步运动圆柱系统建立了含附属管的隔水管系统的涡激振动模型,分析了附属管对隔水管涡激振动特征的影响。实尺寸钻井隔水管的涡激振动中不出现上支(upper branch),且振幅远小于单圆柱的振幅。当多根附属管位于主管的下游时,隔水管系统几乎保持静止。(3)通过在主圆柱附近布置一根尺寸较小的控制杆,建立了含单一控制杆的圆柱系统模型,模拟并讨论了控制杆和主圆柱之间的干涉效应。单一控制杆对主圆柱上绕流特征的影响大致可以分为4个区域:在间隙比和位置角都较小(如G/D<0.7和α<50~o)时,主圆柱的升阻力系数被显著降低;在间隙比较大(G/D>0.2)且位置角在110~o附近时,主圆柱的升阻力系数稳定在单圆柱的升阻力系数附近;在位置角接近180~o时,控制杆能一定程度地降低主圆柱的升阻力系数,但作用效果随位置参数的变化较小;在间隙比较小(G/D<0.2)且位置角接近110~o时,控制杆能显著增大主圆柱的升阻力系数。采用同步运动圆柱系统模型模拟了含串列控制杆的圆柱系统的涡激振动。上游串列控制杆不影响圆柱系统涡激振动振幅随约化速度的变化趋势,但能降低圆柱系统的最大振幅。下游串列控制杆能使圆柱系统的涡激振动呈现亚谐共振。圆柱系统的涡激振动中出现了不连续的多个锁定区间,且第二锁定区范围随间隙比的增大而减小。(4)通过在含单一控制杆的圆柱系统模型中附加一根相同尺寸的控制杆,建立了含双控制杆的圆柱系统模型,分析和讨论了不同排布双控制杆(模型1:上游串列控制杆和错列控制杆组合;模型2:下游串列控制杆和错列控制杆组合;模型3:两对称控制杆组合)对主圆柱流体动力学特征的作用效果。模型2中控制杆在间隙比较小(G/D<1)时能显著降低主圆柱的升阻力系数,且效果不随位置角的变化而明显改变,更适用于对主圆柱上升阻力系数的抑制。模型1中双控制杆对主圆柱上流体动力学特征的影响可视为单一控制杆作用效果的线性叠加;在其余两种模型中,双控制杆能产生附加效果,即双控制杆的影响机理与单一控制杆有明显差异。采用同步运动圆柱系统模型模拟了含双控制杆的圆柱系统的涡激振动。含双控制杆的圆柱系统能发生亚谐共振,且间隙比越小,亚谐共振响应越明显。在三种模型中,控制杆都能在G/D<0.2&90~o<α<135~o范围内增大圆柱系统的最大振幅,但模型2(增大为单圆柱最大振幅的285.9%)和模型3(增大为单圆柱最大振幅的310.3%)中控制杆的效果明显优于模型1(增大为单圆柱最大振幅的141.4%)中控制杆。模型1和模型3中控制杆都能在G/D<0.4&15~o<α<55~o区域内有效降低圆柱系统的最大振幅,但模型3(降低为单圆柱最大振幅的1.4%)中控制杆的效果明显优于模型1(降低为单圆柱最大振幅的39.9%)中控制杆;模型2中控制杆在50~o<α<90~o&0.6<G/D<1.5和α>165~o&0.45<G/D<1.6范围内能有效降低圆柱系统的最大振幅(降低为单圆柱最大振幅的43.8%),但效果不如模型1和模型3中控制杆。(5)对比不同控制杆模型(单一控制杆、模型1、模型2和模型3)对主圆柱上流体动力学特征和圆柱系统涡激振动响应的作用效果,可总结控制杆的作用规律如下:1.单一串列下游控制杆和双控制杆都能使圆柱系统的涡激振动发生亚谐共振。2.双控制杆的作用效果在任意位置参数下都比单一控制杆的作用效果更明显。3.模型3中双控制杆的作用效果与单一控制杆有明显差异,能够更显著地增大或降低圆柱系统的涡激振动最大振幅。4.边界层控制法能有效增大圆柱系统涡激振动的锁定区范围和振动幅值;剪切层控制法对圆柱系统涡激振动的影响与边界层控制法相似,但效果不如后者明显,且在间隙比较小(如G/D=0.3)时能有效降低圆柱系统的涡激振动振幅;来流控制法能降低圆柱系统涡激振动振幅,但效果不如其余控制法明显;尾流稳定性控制法能使圆柱系统的涡激振动出现多个不连续的锁定区。(6)以张力腿(TLP)平台上多套隔水管系统为工程背景,采用四阵列圆柱系统对相邻井口上的隔水管进行了建模,分析了静止阵列圆柱之间的流体干涉效应。各圆柱上的升阻力系数在G/D>1时呈现明显的周期性,且各圆柱的泄涡周期相等。并列圆柱的流体动力学变量在G/D>1范围内始终关于中线对称。串列圆柱上升阻力系数的相位关系与间隙比有关,分别可能呈现同相、异相和反相特征。上游圆柱的流体动力学特征随间隙比的变化较小,下游圆柱的升阻力系数随间隙比的变化较明显。采用独立运动的四阵列圆柱系统模拟了张力腿平台上相邻隔水管的涡激振动特征。上游圆柱的响应随间隙比的变化不明显。在约化速度较小(U_r<14)时,下游圆柱的响应随间隙比变化较小;在约化速度较大(U_r>14)时,下游圆柱的涡激振动特征随间隙比变化较明显,且横流向振幅随间隙比的增大而减小。上下游圆柱的涡激振动响应在本文研究的间隙比范围内没有本质的区别,且最大振幅相差不大。