我国正处在海洋油气勘探开采的高速发展期,深海油气勘探开发设备尤其是深海平台立管中的涡激振动(VIV)是在设备的安全设计、使用、维护中必须考虑的因素。海洋工程中使用的隔水管/立管的VIV问题属于复杂非线性大长径比结构物的流固耦合问题,长期以来此问题受到了工业界和学术界的持续关注而没有得到彻底解决。本文不对实际工程中使用的立管与隔水管等管道进行区分,均称为立管或隔水管。由于难以利用实验手段研究实际尺寸隔水管的VIV响应,数值模拟方法成为了此类问题的主要研究手段。国内外常用的基于实验测得的流体力的半经验VIV预报模型由于不能考虑流固耦合效应,在亚临界区域及更高雷诺数的条件下的适用性存在不足。使用计算流体力学(CFD)方法则可以对流固耦合过程进行完整模拟,适用范围更大,预报结果也更为精确。然而,国内缺少自主的基于CFD的大长径比隔水管/立管的涡激振动算法及其分析软件。另一方面,在实际工程应用中,整流罩作为涡激振动抑制的常用设备而受到普遍关注。然而目前缺乏对这类设备的VIV抑制机理的系统化研究,对于某些条件下这类设备可能给立管结构带来的驰振效应也鲜有研究。本文在王嘉松等基于速度向量转化(EVVT)及有限体积(FVM)总变差减小(TVD)求解器的基础上,进一步自主开发了用于模拟二维、三维立管流固耦合(FSI)问题的求解器,进而对二维、三维立管的VIV响应进行了深入研究,并对整流罩设备的立管振动抑制效果和机理进行了系统分析。本文的主要研究工作如下:(1).以雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程和SST k-ω湍流模型作为流动控制方程。采用TVD-FVM方法对模型进行求解,构造了二维有量纲流场模拟求解器。使用任意拉格朗日欧拉法(ALE)将二维流场模拟求解器扩展并结合立管动力学响应方程,构造了二维流固耦合问题求解器。不同于传统的SIMPLE类方法,本文通过添加拟可压缩系数的方法将流体密度与压力相联系,把压力变量引入了连续性方程并通过TVD-FVM方法对压力场和速度场进行整体时间推进求解。采用典型雷诺数下固定单圆柱绕流的算例对二维流场模拟求解器进行了验证,得到的升、阻力系数及斯特劳哈数等流场参数均符合经典实验结果。使用经典单圆柱VIV实验研究结果对二维流固耦合问题求解器的准确性进行了验证,模拟结果与实验圆柱的横流向位移振幅和振动频率的一致性良好。并正确捕捉到了不同约化速度条件下的尾涡脱落模式和立管振动与尾涡脱落之间的相位差。(2).使用二维流场模拟和流固耦合问题求解器对整流罩的流场控制机理和VIV抑制效果做了系统分析。对一类整流罩在不同来流速度和不同攻角的条件下的流场模拟表明:来流攻角会对特征长度较大的整流罩的尾流控制效果以及流体力控制效果带来很大影响;特征长度较小的整流罩在不同来流攻角条件下的流体力控制和尾流控制效果更加稳定。对附加整流罩的立管结构在不同来流速度下的振动模拟表明:固定整流罩虽然对“锁定区”约化速度区间内的立管VIV有一定的抑制效果,但在更高的来流速度下,会带来更为剧烈的驰振响应。本文首次使用数值模拟手段对近期实验中发现的整流罩带来的驰振响应进行了准确的重现。在此基础上,进一步研究了拥有不同特征长度和不同形状的整流罩在不同约化速度下的驰振响应。研究发现,特征长度是决定整流罩驰振振动幅度以及驰振响应是否发生的关键参数,特征长度较大的整流罩会在更广泛的来流速度区域内引起剧烈的驰振响应。(3).针对大长径比而拥有大部分沿轴向一致的横截面形状的三维流场模拟问题,使用算子分裂方法对三维流场模拟求解器进行了专门的优化。此方法在水平面内采用二维TVD-FVM数值方法求解,在垂直方向内采用类似一维TVD差分的数值方法求解,可以减小求解三维方程所需的计算量,同时也不必像通用的三维CFD程序一样进行复杂的三维动网格信息的处理。在此基础上所建立的三维流固耦合问题求解器可以快速对深水柔性立管的流固耦合问题进行模拟。使用OPENMP对FORTRAN代码进行了并行化处理,进一步提升了计算效率。利用渠道流中固壁上固定圆柱和固定方块绕流场的模拟算例对求解器的准确性和计算效率进行论证。表明当前的三维CFD代码可以准确捕捉流场中的马蹄涡等三维涡结构,且本文中的三维CFD程序得到了略优于CFX的流场模拟结果,而模拟所消耗的时间相对CFX减少了约1/3。采用MARINTEK水池中的标模柔性立管实验结果以及帝国理工学院的拖曳水池中得到的柔性立管实验结果对本文中的三维流固耦合模拟程序进行了验证。结果表明,本文的三维流固耦合模拟程序能够正确捕捉立管振动表现出的模态阶数、响应振幅和运动轨迹,三维柔性管道的双关共振现象也得以正确捕捉,立管各处的流场特征也得到了正确模拟。