柱体绕流是一种常见的自然现象,涉及到许多复杂的流动机理。流体流经柱体表面,会在柱体后方形成交替性的旋涡脱落,旋涡的脱落会进一步在柱体表面产生周期性的脉动作用力。当柱体为弹性安装时,这种作用力会导致柱体产生周期性振动,称为“流致振动”(Flow-induced motion,FIM)。传统的关于流致振动的研究主要集中在土木建筑工程领域,目的在于抑制或消除流致振动的产生,减少流致振动引发的安全问题。但流致振动也有有利的一面,近年来基于流致振动的清洁能源利用技术的研究受到了越来越多的关注,将流致振动与清洁能源利用相结合,可以对这种潜在的破坏性现象进行有效利用。柱体几何特征是影响流致振动激振力的一个关键影响因素,但目前截面形状对流致振动响应的影响尚未受到足够重视。因此,对不同截面形状柱体流致振动的研究具有非常重要的理论意义和工程应用价值。本文采用数值模拟为主、实验为辅的方法,详细分析了不同截面形状柱体在高Re数(1×104≤Re≤1.2×105)下流致振动振幅、频率以及尾流响应,并得到了振动机械能输出功率,对柱体的能量收集效果进行了评估。探讨了截面几何特征对柱体旋涡脱落的影响,揭示了不同截面形状柱体的流致振动激励机制,探索改善柱体截面几何形状以提高能量收集效果的方法。本文首先使用风洞试验对本文中数值求解方法的计算准确性进行验证,然后对不同截面形状柱体的流致振动进行详细的数值模拟。与光滑圆柱的实验结果相比较,本文研究的不同截面形状柱体都能在更宽的高Re数范围内获得更高的振幅。其中所有梯形柱的振幅大小要明显高于其他截面形状下的振幅,最大值达到了4.5D。此外,对于在流向上不对称的不同攻角方柱,方柱的振动平衡位置会偏离系统静止时的平衡位置,偏移量在攻角α=20°时达到最大。小攻角方柱(α<10°)、梯形柱、小顶角三角柱(θ=53.13°和θ=60°)绕流的流致振动的频率比远低于光滑圆柱的实验结果,这是由于这些柱体都发生了涡致振动(VIV)向驰振的转变。除了上述产生了驰振的截面形状柱体,本文研究的其他柱体则有着与光滑圆柱相类似的频率比变化趋势,随着Re数的增加,部分方柱(α≥10°)和菱形柱观察到了高频VIV。其中AR=1.0的菱形柱频率比要明显高于其他柱体,最大值在Re=120,000时达到了4.1左右。当柱体的截面形状改变时,本文中观察到了VIV和驰振两种振动模式,总体规律是:方柱攻角、三角柱顶角的增加以及菱形柱轴比例的减小会抑制驰振的产生。方柱的攻角变化对尾流旋涡结构的影响最为复杂,当Re数和攻角α变化时,方柱的尾流响应可以分成6个独立的区域,每个区域中的旋涡脱落模式都有区别。相比之下,梯形柱上下底比例d/D的变化对尾涡结构影响并不大,几乎只受Re数的影响。三角柱的尾流旋涡结构会随着顶角θ的增加而变得更简单,而菱形柱的尾流旋涡结构会随着轴比例AR的增加而变得更难以识别。本文最后计算得到了不同截面形状柱体流致振动的机械能输出功率,研究发现,方柱和菱形柱的能量收集效果要明显优于其它截面形状的柱体。其中方柱的攻角α越大,能量收集效果相对越好,而菱形柱在AR=1.0时最好。不同截面形状柱体的能量收集效果对比:菱形柱>方柱>三角柱>梯形柱。即在本文所研究的参数范围内,菱形柱更适合于利用流致振动驱动发电机产生电能,具有更大的潜力实现流体清洁能源的收集。