随着经济的飞速发展,人们对能源的需求量日益增长,如何更好地利用海浪和潮汐所产生的能量、开采海底丰富的矿产资源成为目前研究的一个热点之一,而在这过程当中,涉及到一个需要深入探讨的问题-流致振动。比如近年来被广泛关注的可将海流能转变为电能的VIVACE(Vortex-induced Vibration Aquatic Clean Energy)装置,它的作用原理正是通过激发结构强烈的流致振动。然而,在深海采矿系统当中,海洋平台和海底管道等重要的结构组件在周围复杂来流的影响下所产生的振动显然是不利的,它会在一定程度上影响结构的安全性和耐久性。基于上述研究背景,本文对平面剪切来流作用下串列三圆柱体结构的流致振动问题进行了数值模拟,主要研究工作如下:1)平面剪切来流作用下串列布置三圆柱体结构单自由度流致振动响应研究,重点分析雷诺数(Re)、剪切率(k)和折减速度(U_r)对三圆柱体横流向动力响应、受力特性、相位变化、频谱、尾流模态等的影响。结果表明,随着Re的增大,三圆柱体结构的振幅曲线随k和U_r变化的不规则性明显增强,当Re=160,k=0.1时,下游圆柱的振幅曲线会出现两个大振幅区域。不同的Re和k工况下,随着结构受自由来流的影响依次减弱,阻力系数平均值明显减小,而升力系数均方根值在共振区间的波动性较大。随着k的增加,中下游两圆柱体横流向位移和升力系数的相位差在“相位开关”之后会出现“下凹”段,且这种现象随Re的增加而更加明显。Re和k的增大会显著增加共振区间内振动频率和涡脱落频率的阶数。另外,除了Re=100,k=0.0工况下流场中呈现出规则地2S、P+S以及2P等尾流模态外,其他工况下三圆柱体结构尾流涡的分布较为混乱。2)平面剪切来流作用下串列布置三圆柱体结构双自由度流致振动响应研究,重点分析了雷诺数(Re)、剪切率(k)和折减速度(U_r)对三圆柱体顺流向和横流向动力响应、频率特性、运动轨迹等的影响,并揭示了来流特性的变化对结构流致振动响应产生影响的涡动力机理。结果表明,随着Re的增加,三圆柱体结构的动力响应可以划分为两个不同的阶段,且Re和k的变化对顺流向振幅的影响大于横流向振幅。随着k的增加,结构共振区间的范围及其所对应的振幅值增大,且会出现双向共振。另外,顺流向振动发生共振所对应的频率值以及部分折减速度工况下结构的振动机理均会发生转变。随着k的增加,三圆柱体结构的运动轨迹会呈现出多样性,“8”字形和不规则形状会转变为“雨滴”、“双雨滴”、“双8”字形以及不规则形状等。特别地,通过对流场进行分析,发现了特殊的“2T”尾流模态。3)平面剪切来流作用下串列布置三圆柱体结构单自由度和双自由度流致振动响应对比研究,重点分析了Re=160工况下,顺流向自由度的存在与否对三圆柱体横流向振动响应的影响。研究结果表明,不同自由度工况下,三圆柱体结构振幅曲线随k和U_r的变化趋势基本一致,且数值差异较小,这主要是因为层流状态下的流场特性与湍流相比更加稳定。