近日，流体力学领域旗舰期刊《Journal of Fluid Mechanics》以“Intrinsic length scales in spanwise response regimes of vortex-induced vibration for catenary-type risers（悬链线型立管涡激振动展向响应分区中的固有长度尺度）”为题在线发表了beat365英国官网网站船建学院工程力学系王嘉松教授团队的研究成果。该研究揭示了均匀流中悬链线型立管显著的展向分区特性，并提出了控制展向分区的两个固有长度尺度的物理框架，为涡激振动的预测、抑制与工程控制提供了理论依据。夏智霖博士为论文第一作者，王嘉松教授为通讯作者。
悬链线型立管（以下简称CTR）是深海油气开发中的关键结构，其大长径比和几何曲率导致涡激振动（以下简称VIV）响应极为复杂。相较于直管，CTR的曲率会引起沿展向的非均匀张力与局部流速变化，形成强流-曲率耦合。尽管已有实验和数值研究观察到CTR的多频响应、模态切换等现象，但对展向响应如何分区、受来流速度与初始构型影响的规律以及背后的物理机理仍缺乏系统认知。此外，全三维CFD计算成本高，亟需兼顾效率与精度的降阶模型。为此，王嘉松团队创新性地融合基于条带理论的离散涡方法（SDVM）与独立原理（IP），开发了一套适用于CTR曲线几何的高效流固耦合算法（图1）。
图1 CTR几何示意图及基于条带理论的离散涡方法（SDVM）示意图
基于该算法，团队系统研究了来流速度、初始构型对CTR展向响应分区的影响，取得三项成果。一是发现模态组转变行为是控制单/多频响应的“开关”——同一个模态组内，立管呈现单频响应，相位角单调变化并形成从高法向流速区向低法向流速区传播的行波；在模态过渡区，响应变为多频，实际是由一系列随时间漂移的瞬时单频事件叠加而成，导致相位角非单调变化和行波反射，如图2所示。
图2 (a)模态组转变行为；(b)频率响应
二是创新提出CTR展向响应三分区物理画像——①流致锁频区（F-L）：振动频率锁定涡脱频率，流体向结构传递能量，运动轨迹多为逆时针；②非锁频区(N-L)：涡脱频率遵循当地斯特劳哈尔频率，结构向流体传递能量，轨迹多为顺时针；③结构共振区(S-R)：锁频再次发生但能量反向传递，流动起阻尼作用，驻波占主导。
图3 CTR展向分区示意图
三是首次提出了控制展向分区的两个固有长度尺度——下跨段驻波长度
和临界失谐长度
，并给出两个长度尺度的理论表达式。定量获得不同来流速度和竖向高度下三个分区的边界位置（
和
），并与理论预测结果进行对比，发现两者高度吻合（图4）；解析了来流速度与初始构型对分区的影响规律，并论证了剪切分数β≈0.2作为流致锁频区边界的有效性。
图4 不同来流和构型下临界失谐长度的对比
该研究建立的CTR展向分区新框架，为悬链线型立管的VIV预测、抑制与控制提供了指导。研究工作获得国家自然科学基金”叶企孙”科学基金项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11631
来源：工程力学系
