海流作用下海底管道周围海床局部冲刷和管道涡激振动是“海流—管道—海床”之间的动力耦合问题。本文主要采用物理模型实验，并辅以理论分析和数值模拟的方法，研究了海底管道周围海床局部冲刷、管道涡激振动及两者之间的动力相互作用。主要内容包括：　　 ⑴运用量纲分析法建立了模拟海流作用下海底管道周围海床局部冲刷和管道涡激振动的相似准则；在相似准则的指导下，研制了用于研究上述“海流—管道—海床”动力耦合作用的实验装置。　　 ⑵对具有初始嵌入深度的海底管道在砂质海床上发生悬空的物理机制进行了实验研究和数值模拟。实验观测表明，在管道发生悬空之前，迎来流方向的砂床表面(紧靠管道与砂床接触处)将会出现一条淘蚀沟槽；随着流速的增加，在某一临界速度下，管道底部沿管道轴线方向将会随机出现若干个悬空点，随后各悬空点迅速连通，直至管道完全悬空。通过数值模拟，进一步分析了海流作用下管道周围压力场和砂床内部渗流场特性。数值模拟和实验结果表明，当渗流水力梯度大于土体发生渗透破坏的临界水力梯度时，管道下方砂土将由于渗透破坏而导致管道悬空。　　 ⑶实验研究了固定管道和涡激振动管道周围海床局部冲刷特性。分析得到了固定管道和涡激振动管道周围海床局部冲刷的时间特性和冲刷剖面特征；系统分析了管道固定情况下，管道与砂床初始间隙比、雷诺数、Shields数等参数对最大冲刷深度的影响；对比分析了固定管道与振动管道周围砂床的冲刷特性。实验结果表明，冲刷深度随时间呈负指数规律变化；冲刷坑的最深位置位于管道中心偏下游一侧；振动管道情况下形成的冲刷面比固定管道下形成的冲刷面陡峭，与固定管道相比，振动管道对应的最大冲刷深度明显较大。　　 ⑷在刚性海床和可冲刷砂质海床条件下，分别研究了海底管道的横向和两方向(横向和流向)涡激振动规律。通过大量的实验观测，对管道涡激振动的典型特征进行了总结描述；分析了涡激振动管道的尾迹涡脱落频率的变化特征，并对管道尾迹流场流动显示结果进行了初步分析。　　 ⑸研究了管道与海床之间的初始间隙比、质量比、阻尼比对管道涡激振动幅值和振动频率的影响；对海底管道的横向和两方向(横向和流向)涡激振动特性进行了对比分析；比较分析了海床特性对管道涡激振动特性的影响。结果表明，在其它条件一定时，随着Vr数的增大，管道涡激振动将经历发生、发展和消失的过程。在亚临界区，管道尾迹区存在涡脱落时初始间隙比对近刚性壁面的静止管道尾迹涡脱落频率的变化影响较弱，Strouhal数(St)仍在0.2附近变化；但当管道发生涡激振动时，管道尾迹涡脱落频率不再遵循静止管道下的变化规律，而与管道振动耦合，与管道振动频率沿同一规律变化。在刚性海床和冲刷海床条件下，管道两方向振动中的横向最大幅值均大于相同条件下管道单方向振动的横向最大幅值，而在同一Vr数处，管道两方向振动中的横向涡激振动频率均低于相同条件下管道单方向振动的横向涡激振动频率。当管道嵌入砂质海床时，管道起始振动的Vr数较高；在冲刷海床条件下，在一定初始间隙比范围内，初始间隙比对管道单方向横向涡激振动频率和管道两方向的流向和横向涡激振动频率影响均较小。在其它条件相同时，冲刷海床附近管道单方向横向涡激振动的最大幅值比刚性海床附近的更大，冲刷海床附近管道单方向横向涡激振动的范围比刚性海床附近的更宽。