涡激振动

涡激振动会出现在许多工程应用中，例如桥梁、烟囱、传输线、飞机控制表面、近海结构、热电偶套管、发动机、热交换器、海洋电缆、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、浮力和翼梁外壳、管道、电缆铺设、夹套结构的构件以及其他流体动力学和水声应用。最近人们对水中长圆柱形构件的研究兴趣源于1000米或更深的碳氢化合物资源的开发需求。

涡激振动是海洋勘探和生产石油所用升管疲劳损伤的重要原因。这些细长结构经历了水流和顶端设备运动，这引起了流体-结构相对运动并引起涡激振动。升管顶端设备的运动导致升管振荡，相应的流动剖面变得不稳定。

流体力学中一个经典的开放问题是关于圆柱体周围的流动，或者更一般地说，钝体周围的流动。在非常低的雷诺数（基于圆形构件的直径）下，所得流动的流线完全对称，这正如位势理论所预期的那样。然而，随着雷诺数的增加，流动变得不对称，出现了所谓的卡门涡街。由于涡流脱落而产生的圆柱体运动可以用来发电。^[2]

斯特劳哈尔数将涡流脱落频率与流速和物体的特征尺寸（圆柱体的直径）联系起来。它被定义为：  并以捷克科学家辛克·斯特劳哈尔(文森特)的名字命名。^[3] 在方程中，f_st 是静止物体的涡流脱落频率（或斯特劳哈尔频率），D是圆柱体的直径，U是周围流体的速度。

1.1 适用范围

在很宽的流速范围内，圆柱体的斯特劳哈尔数为0.2。当涡流脱落频率接近结构振动的固有频率时，就会发生耦合共振现象。当这种情况发生时，会产生巨大的破坏性振动。

在过去的十年里，尽管是在低雷诺数的情况下，但无论是在数值上还是在实验上，在涡激振动的运动学（动力学）认知方面已经取得了很大的进展。其根本原因是涡激振动不是叠加在平均稳定运动上的小扰动。这是一种固有非线性的、自发产生或自我调节的多自由度现象。涡激振动呈现出非定常流动特征，表现为存在两个非定常剪切层和大尺度涡结构。

在经验性的或描述性的知识领域中，关于涡激振动已经有许多已知和解释清楚的东西，还有许多未知问题仍然存在：什么是主要响应频率、归一化速度范围、相位角的变化（力通过相位角引导位移）以及同步范围内作为控制和影响参数的函数的响应幅值。工程应用实例凸显了我们无法预测流体-结构相互作用的动态响应。涡激振动模型仍然需要输入升力系数（或横向力）、直列阻力系数、相关长度、阻尼系数、相对粗糙度、剪力、波浪和海流等控制和影响参数的同相和异相分量，因此也需要输入相对较大的安全系数。基础研究和大规模实验（当这些结果在公开文献中传播时）将为量化结构响应与控制和影响参数之间的关系提供必要的知识支撑。

实验室技术的当前研究状态涉及刚体（主要是针对圆柱体，最重要的也就是圆柱体）与三维分离流动的相互作用，这一点再怎么强调也不为过。刚体的自由度已经从六个减少到通常一个（即横向运动），三维分离流动状态由大尺度涡结构主导。