涡激振动：流体动力学中的重要现象

涡激振动：流体动力学中的重要现象

涡激振动（VIV）是流体动力学中的一个重要现象，它描述了流体流动与结构相互作用时产生的周期性振动。这种现象在许多工程领域都有广泛的应用，从海洋结构到航空航天，都离不开对涡激振动的研究。本文将详细介绍涡激振动的原理、应用场景及其研究现状。

在流体动力学中，涡激振动（VIV）是指由流体流动诱导的运动机构与外部流体的相互作用，通过在流体中产生周期性的凹凸变化。一个典型的例子是水下圆柱体的VIV现象。当圆柱体在水中沿垂直于其轴线的方向移动时，由于流体的粘性，圆柱体周围的流动会在接触表面处变慢，形成边界层。当边界层过度弯曲并与主体分离时，就会形成涡流，改变沿表面的压力分布。如果涡流在物体周围不对称形成，就会在物体两侧产生不同的升力，导致横向于流动方向的运动。这种运动改变了涡旋形成的性质，从而产生有限的运动幅度。

VIV现象在许多工程领域都有体现，包括电缆、热交换器管阵列、桥梁、烟囱、传输线、飞机控制面、近海结构、热井、发动机、船舶电缆、拖曳电缆、石油生产中的钻井和生产立管、系泊电缆、系泊结构、系留结构、浮力和翼壳、管道、电缆敷设、夹套结构的成员以及其他流体动力和水声应用。近年来，随着深海碳氢化合物资源开发的需要，对长圆柱形构件的VIV研究也日益重要。

流体力学中的一个经典开式流动问题是围绕圆柱体或钝体的流动。在低雷诺数下，流动是对称的，符合势能理论的预期。但随着雷诺数的增加，流动变得不对称，形成卡尔曼涡街。这种涡流脱落现象可以被用来产生电能。

在广泛的流速范围内，圆柱体的斯特劳哈尔数约为0.2。当涡旋脱落频率接近结构的固有振动频率时，会发生锁定现象。这种共振可能导致破坏性的振动。

在过去十年中，尽管在低雷诺数体系中，VIV的运动学和动力学研究取得了显著进展。这是因为VIV是一种固有的非线性、自我调节的多自由度现象，具有非稳态流动特征，表现为两个非稳态剪切层和大型结构的存在。

在经验/描述性知识领域，已经对VIV的主要响应频率、归一化速度范围、相角变化、响应幅度等有了深入理解。然而，工业应用中仍然面临无法准确预测流体-结构相互作用动态响应的挑战。这需要输入升力系数、串联阻力系数、相关长度、阻尼系数、相对粗糙度、剪切力、波动和电流的同相和异相分量等参数，同时也需要较大的安全系数。基础研究和大规模实验的结果将有助于量化结构响应与控制和影响参数之间的关系。