船建学院工程力学系王嘉松教授团队博士后林柯近日在流体力学权威期刊《Journal of Fluid Mechanics》发表最新研究成果，该成果主要涉及卡门涡街流动与圆柱流固耦合动力学问题研究的新进展[J. Fluid Mech. (2024), vol. 1001 A33]。王嘉松教授和西湖大学范迪夏教授为共同通讯作者，中国海洋大学孙远坤博士为共同作者，美国麻省理工学院Michael S. Triantafyllou教授为国际合作者。

       卡门涡街是流体力学中最经典的流动现象之一，它描述了流体流经钝体结构物时在尾迹中交替脱落并规则排列的涡旋序列。自然界中，大到气象卫星拍摄到的卡门涡街气象云团，小到树叶在风中的飘舞，都是卡门涡街这一流动现象的表现。当卡门涡街与圆柱结构相互作用时，会诱发结构物发生大幅周期性振动，这种振动被定义为涡激振动（VIV）。涡激振动研究对现代桥梁、建筑和海洋工程领域的结构设计与安全维护具有重要意义。

       然而，涡激振动是否是圆柱结构在卡门涡街流动下的唯一响应模式？近来，王嘉松教授团队与西湖大学和麻省理工学院的合作研究团队，给出了对这一问题新的认识。该成果为进一步理解复杂流固耦合机制提供了重要理论支持，也为相关领域的工程实践带来了新的启示。

图1 尾流驰振（WIG）与尾流俘振（WCV）位移幅值、频率与流体力特性对比

       研究团队通过采用先进的流固耦合动力学智能实验技术，揭示了圆柱结构在不同模式的卡门涡街流动下，分别表现出两种独特的流固耦合动力学行为——尾流驰振（Wake-induced galloping）和尾流俘振（Wake-captured vibration）。其中，尾流驰振突破了典型涡激振动的幅值自限特性，表现为振动强度的持续增长；而尾流俘振则突破了涡激振动的频率自锁特性，振动频率完全锁定到来流涡街频率。值得一提的是，研究团队首次命名并定义了尾流俘振这一振动模式。

        通过构建理论降阶模型，并结合线性稳定性分析方法，研究团队从动力学理论模型解的稳定性出发，揭示了这两种振动的诱发机理及其相互转换的机制。此外，通过时间解析的PIV流场测量技术，研究者展现了卡门涡街与结构运动相互作用的时域过程，阐明了卡门涡街不同漩涡拟序结构对下游结构流动非对称性的影响，进一步阐释了两种振动现象的流动机理。

       最后，团队提出了一种对具有不同响应特性和机理的流固耦合振动模式可泛化的降阶预测方法。该研究获得了审稿人的高度评价，称其“…is a significant contribution”，“adds a new dimension to our understanding of…”以及“…adds depth to the existing knowledge of FSI”，充分肯定了其在流固耦合动力学领域的重要意义。

图2 WIG与WCV响应中卡门涡街准静态升力系数谱与升力梯度特征

      该研究丰富了流固耦合动力学的科学内涵，为这一领域的基础研究提供了新的认识和更深入的理解。同时，该成果对提升海洋结构尤其是多结构系统在流动环境下的安全设计与维护水平，也对“大海洋”战略基础科学问题的深化研究具有重要的理论指导意义。

图3 WIG与WCV响应中不同模式的卡门涡街与结构运动相互作用瞬时形态

       该项工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金等研究项目的资助。

论文链接：DOI: 10.1017/jfm.2024.1101