人类对石油资源的需求与日俱增,海洋已逐渐取代陆地成为石油资源的主要勘探开发区。隔水管作为海洋油气开发工程的关键设备,可能在洋流作用下因产生涡激振动而受到破坏,影响正常的钻井工作甚至带来生命财产损失。因此本文以正服役于南海油气开发工程的某实尺寸钻井隔水管系统为研究对象,对包含多尺寸、不规则排布附属管的多圆柱系统进行数值模拟,分析讨论了在不同来流攻角、约化速度和圆心间距下附属管对其绕流和涡激振动特征的影响。本文的研究工作如下:1.对开源软件OpenFOAM嵌入多圆柱同步运动求解模块,得到了适用于求解多圆柱涡激振动的求解器,并与之前学者单圆柱和双圆柱绕流及涡激振动的数值和实验结果做对比,验证了本文数值模型和计算方法的可靠性。2.对实尺寸钻井隔水管系统的绕流进行了数值模拟,讨论了在不同来流攻角和典型约化速度下附属管对主管的升阻力系数、泄涡频率和流场结构的影响。研究发现,除极个别工况外附属管均能降低主管上的平均阻力系数和升力系数幅值,但作用效果与来流攻角和约化速度均密切相关。3.对实尺寸钻井隔水管系统的涡激振动进行了数值模拟,讨论了在不同来流攻角和典型约化速度下附属管对隔水管系统的振幅、振动频率、运动轨迹和流场结构的影响。研究发现,除极个别工况外附属管均能使隔水管系统的涡激振动幅值减小,对隔水管系统的涡激振动起到一定的抑制作用,但作用效果与来流攻角和约化速度均密切相关,来流攻角为210°和330°时最显著。涡激振动幅值较大时功率谱有峰值较大的唯一主频且振动频率接近隔水管系统的固有频率。多根附属管的不规则排布使实尺寸钻井隔水管系统的涡激振动运动轨迹更为复杂多变,出现了很多新的形式,如雨滴形、倾斜倒立雨滴形、倾斜“8”字形和扁平椭圆形等。4.将原实尺寸钻井隔水管系统中的压井管线和增压管线每相隔120°均匀布置在主管周围,与相邻液压管线和化学管线的相对位置不变。对重新布置后的隔水管系统进行了数值模拟,讨论了在不同来流攻角和圆心间距下附属管对隔水管系统绕流和涡激振动特征的影响。研究发现,除极个别工况外重新布置后附属管均能降低主管上的平均阻力系数和升力系数幅值,但作用效果与来流攻角和圆心间距密切相关,圆心间距比为0.98和1.18时比原隔水管系统效果更显著。重新布置后附属管均能使隔水管系统的涡激振动幅值显著减小,对隔水管系统的涡激振动具有良好的抑制作用,但作用效果与来流攻角和圆心间距均密切相关,圆心间距比为1.18时作用效果整体上与原隔水管系统相似。5.隔水管系统升力系数幅值和涡激振动幅值显著减小的原因,主要是由于两侧的附属管将主管分离的剪切层限制在一个较小的区域内使其不能自由泄放,脱落的漩涡与附属管的泄涡相互作用而迅速消散,近尾流区不能形成明显的离散漩涡,从而有效抑制了隔水管系统的漩涡泄放。