摘要
多圆柱绕流问题是海洋工程、航天航空领域和风电产业中的重要研究方向之一。这些系统常常面临着外界波、浪、流等复杂环境的耦合作用，其结构稳定性和安全性因此面临着严峻挑战。特别是在极端气候条件和复杂海况下，圆柱系统的稳定性和耐久性更是关系到整个工程的安全运行和长期效益。值得注意的是，多圆柱绕流问题涉及流体力学、结构力学、海洋工程等多个学科领域，是一个复杂的系统工程问题。当多个圆柱在流体中排列时，圆柱之间的相互作用会导致流场的改变，进而影响到每个圆柱所受的力和运动状态。这种相互作用往往会导致结构振动、流致噪声、涡激振动等一系列问题，严重时甚至可能引发结构破坏和失效。因此，对多圆柱绕流问题的深入研究不仅具有重要的理论价值，同时也对实际工程应用具有深远的影响。 本研究基于自主开发的径向基等值面虚拟网格计算平台，通过数值模拟方法对多圆柱绕流现象的深入分析，研究不同间距比、不同布置形式及不同运动方向下的多圆柱流场特征，探讨与分析升阻力系数、斯特罗哈数和涡量分布等关键参数，揭示了低雷诺数下多圆柱干扰的流场动力学特性。文中利用虚拟网格求解器和快速傅里叶变换（FFT），对复杂的流体-固体相互作用问题进行了数值模拟和分析。 首先，详细介绍了浸入边界虚拟网格求解器的原理，通过改进隐式等值面界面表示方法以追踪多圆柱运动边界，并采用自主构建的CPU/GPU异构并行加速技术进行高效数值模拟，为研究多圆柱绕流提供了理论基础和技术支持。 其次，研究分析了单圆柱在静止状态下和强迫振动情况下的绕流特性，进行了网格无关性分析；通过与相关文献对比验证，保证了虚拟网格数值方法在模拟复杂流体-固体相互作用问题中的有效性及准确性。 最后，研究分析了强迫振动双圆柱系统中，间距比变化引起了流场特性的显著差异，包括升阻力系数的幅值振荡和涡脱频率的变化。同时，进一步研究三圆柱和四圆柱系统揭示了更复杂的流场行为，如上游圆柱对下游圆柱的影响以及菱形排列和交错振动导致的升力和阻力系数变化。特别是在四圆柱交错强迫振动下，涡脱频率规律性增强，显示出与间距比的相关性。最终，探究了五圆柱集群干扰系统，其研究表明间距比对流场特性具有重要影响，随着圆柱数量及间距比的增加，涡街融合变缓，涡量分布更加有序和稳定。 综上所述，通过数值模拟手段，系统分析了不同间距比、不同布置形式及不同运动方向下的多圆柱流场特征以及升阻力系数、斯特罗哈数和涡量分布等关键参数的变化规律，在一定程度上揭示了低雷诺数下多圆柱干扰的流场动力学特性。
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