随着海洋油气工业不断向深水推进,以立管为代表的圆柱状海洋结构物广泛应用于海洋平台式离岸工程和海底管道系统。海洋工程中圆柱状结构在一定来流下会发生涡激振动导致结构受力增大甚至疲劳损伤从而降低结构的性能,这使得对振荡圆柱绕流和圆柱涡激振动问题的研究更具有工程实际意义。越来越多的研究工作集中到振荡圆柱绕流和圆柱涡激振动问题上,同时随着计算方法和计算机硬件的快速发展,用数值方法分析流体和结构物之间相互作用的工作也越来越受到重视。本文利用CFD软件Fluent求解器求解不可压缩粘性流体中的Navier-Stokes方程,同时结合动网格技术模拟运动圆柱的边界,在低雷诺数下对横向受迫振荡圆柱和弹性支撑圆柱涡激运动问题进行数值计算分析。流体流动控制方程中动量方程的对流项采用二阶迎风格式离散,而对控制方程中的速度和压力的求解则是采用了半隐式SIMPLE算法来处理。本文的主要工作及计算得到的结论包括如下几个方面:首先,本文对低雷诺数下二维及三维静止圆柱体绕流场以及静止水中的圆柱受迫振荡运动进行数值计算,通过与实验结果以及其它数值计算的结果进行比较从而验证了本文采用的计算方法及计算模型的可靠性,为进一步对低雷诺数下圆柱横向受迫振荡和弹性支撑圆柱的涡激运动问题进行数值计算奠定基础。接着,本文对低雷诺数下圆柱在垂直于来流方向的横向受迫振荡运动进行数值计算,研究了振荡频率和振幅对振荡圆柱所受流体力以及圆柱尾流中泻涡结构变化的影响。在Re = 200的均匀流场中,固定二维圆柱振荡的幅值,通过改变圆柱振荡的频率对圆柱横向受迫振荡进行数值分析。计算的振荡频率都在圆柱自然泻涡频率附近,成功地捕捉到了振荡圆柱所受升阻力系数中的锁定和拍频现象。然后通过改变圆柱振荡频率和振幅值,分析圆柱振幅和频率对圆柱尾流中泻涡结构变化的影响。计算结果表明随着振幅的增大,圆柱尾流中的泻涡结构由卡门涡街式的2S模式转变到P+S和2P模式,其中P+S模式为每个振荡周期内在圆柱的一侧泻放出单个漩涡,而在另一侧泻放出一个涡对,而2P模式中每一个振荡周期泻放出两对逆向旋转的涡对。本文得到三种泻涡模式之间的转变与实验结果吻合得很好。本部分为了研究低雷诺数下振荡圆柱体对流场变化的影响,还对Re = 200,300和500的均匀流中三维圆柱体受迫振荡进行数值计算分析,计算得到的结果表明在一定振幅情况下圆柱体受迫振荡会抑制三维特性的出现。最后本文对弹性支撑圆柱的涡激运动响应特性进行数值分析。涡激运动圆柱系统简化为弹簧-质量-阻尼系统,柱体的运动控制方程通过经典的四阶Runge-Kutta法离散求解。首先采用实验参数对雷诺数Re = 90~150的均匀流场中二维弹性支撑圆柱涡激运动进行数值计算,分析了弹性支撑圆柱涡激运动响应特性,成功捕捉到了圆柱涡激运动发生锁定、拍频以及相位变换等现象,同时还详细地分析了低雷诺数下涡激运动圆柱位移、升阻力系数、圆柱尾流的泻涡频率及泻涡结构随雷诺数变化的情况。随后通过对不同质量比和阻尼因子圆柱运动系统进行计算,分析了质量比以及质量比阻尼组合参数对弹性支撑圆柱涡激运动响应特性的影响。数值计算结果表明弹性支撑圆柱涡激运动最大振幅值取决于质量比阻尼组合参数,而当质量比阻尼组合参数为常数时质量比则对发生锁定现象的范围起决定作用。最后还对三维弹性支撑圆柱体涡激运动进行数值计算,研究低雷诺数下三维圆柱体运动响应特性以及运动圆柱体尾流中泻涡的三维特性。本文数值计算得到了低雷诺数下圆柱横向受迫振荡和弹性支撑圆柱涡激运动一些基本的物理特性,同时对流体与运动结构物之间的耦合作用有了一定了解,为进一步研究海洋立管涡激振动响应特性奠定了基础。