海洋管道是海洋油气开发工程的关键组成结构,其稳定性与耐久性直接关系到油气开发的安全、经济、能源供给的稳定以及海洋生态环境的保护。海洋管道因其所属海洋环境的复杂性,容易在洋流作用下发生涡激振动而导致结构的疲劳破坏,带来巨大的经济损失并且造成海洋环境污染,因此针对海洋管道开展洋流作用下涡激振动的研究具有重要的社会意义和科学价值。目前管道涡激振动方面的理论模型主要包括梁杆理论和流体荷载的简化模型、考虑流场作用的二维质量-弹簧-阻尼模型以及考虑三维全场流固耦合的三维实体管道模型。受到计算效率的限制,目前大部分研究采用前两种研究方法,利用管道和流体的简化模型开展结构振动分析。而本文采用考虑全场流固耦合的三维实体管道模型,其中,结构方面使用实体单元,流体方面则基于任意拉格朗日欧拉(ALE)方法求解在持续变形的几何域中的流体流动。模型管使流体在管周分离,而流体对结构壁施加了由粘性阻力和流体压力产生的作用力,所以模型管在流体载荷的作用下会发生变形,由此导致流体也会沿着新的路径流动,流体与结构的相互作用就如此循环进行。三维实体单元能够更为精确地描述海洋管道的结构特性以及以振动控制为目的的附属抑振设施,全流体场的模拟则更为真实地反应流体对结构的作用,为管道涡激振动及控制提供精度更高的数值仿真模型。本文针对海洋管道涡激振动控制的课题主要做了以下工作:基于COMSOL软件建立了考虑三维全场流固耦合的海洋管道涡激振动有限元模型,从跨中横流向位移、顺流向位移以及升阻力系数等方面对管道的涡激振动响应进行了分析研究。研究结果表明随着约化速度的增长,横流向位移幅值先增大再减小,呈现出明显的涡激共振特征,可为后文研究整流罩和分隔板在振动控制中的仿真数值模拟提供准确参照。研究了不同特征尺寸的整流罩对海洋管道涡激振动响应的影响,探讨了降低振动的方法。结果表明整流罩的加入改变了结构尾流区的旋涡脱落模式进而影响了流体荷载,使得管道结构的涡激振动锁定区起始点被向后推移并且锁定区的跨度也被拉长。加入整流罩后结构的自振频率较裸管变化很小,因此相同流速下可采用与裸管相同的约化速度来对比分析整流罩的抑振效果。研究表明,Lf/D=0.5的整流罩在位移响应幅值的抑制上表现最佳,而Lf/D =0.75的整流罩则有着最好的削弱升力系数幅值的效果,Lf/D=1的整流罩在整个低中高流速范围内对阻力系数幅值的平均削弱效果最优。其中Lf是整流罩长度,D是管道直径。随后进一步探究了不同尺寸的分隔板对海洋管道涡激振动响应的影响,得到了最优的分隔板长度,研究结果表明分隔板的加入改变了结构尾流区的旋涡脱落模式进而影响了流体荷载,且加装分隔板后结构横流向振动至最大幅值需要更大的流速。分隔板的加入对结构的自振频率有一定的影响,在较高流速下的约化速度与同等流速下的裸管有明显差异。Lf/D=0.5的分隔板在位移响应幅值的削弱上表现最佳,而LD=1的分隔板对阻力系数幅值和升力系数幅值的平均削弱效果最优。其中Lp是分隔板长度,D是管道直径。从位移幅值和升阻力系数幅值的削弱效果上来看,分隔板的综合表现优于整流罩,但不同尺寸的分隔板对位移幅值和升阻力系数的幅值削弱效果有着不同的偏重。因此实际工程中应视具体的海洋环境与结构参数并考虑工程目的,针对性地对位移和升阻力的控制设定优先级来选择最合适的减振装置的尺寸。