圆柱体结构涡激振动是典型的流固耦合问题，其响应规律大多是在远离壁面和升速流动条件下获得的。而在许多工程应用中，圆柱体通常位于固体边界附近。近壁面圆柱体的涡激振动涉及沿结构表面和底部壁面发展的多个边界层之间的复杂相互作用，可呈现与远离壁面圆柱体不同的响应特征；此外，自然环境流动通常不断地经历升速和降速过程。本文围绕圆柱体涡激振动的近壁面效应问题，主要采用物理模型实验，辅以理论分析的方法，系统研究了近壁面圆柱体的绕流流场特性、涡激振动的临界触发速度和幅频响应特性，以及升降流速作用下涡激振动的迟滞效应。
基于量纲分析方法和相似理论，推导了单向流作用下近壁面圆柱体涡激振动的相似准则，获得了柱体涡激振动的主要无量纲控制参量。在横向涡激振动触发过程的物理模拟中，流固耦合系统阻尼是控制近壁面圆柱体振动响应的关键参量之一。为此，研制了一套具有低结构阻尼参数的圆柱体涡激振动模拟装置，其结构阻尼远小于流体阻尼。
采用“自下向上”激光扫射的粒子图像测速系统（PIV），测量并分析了近壁面圆柱体绕流流场特性。对于远离壁面柱体，在亚临界雷诺数范围内，流动具有相似性，无量纲回流区长度、无量纲旋流强度和雷诺应力幅值等受雷诺数影响较小。对于固定的近壁面柱体，当间隙比e/D ≥ 0.40，壁面对旋流强度的影响可忽略，但间隙流对流动结构（尾流向上偏移）和斯特劳哈尔数的影响较大。当e/D < 0.40时，规则的涡脱落（卡门涡街）受到壁面的抑制作用，同时回流区长度急剧增大，相应的雷诺应力幅值和无量纲旋流强度显著减小。但对尾流脉动的频谱分析表明，此时尾流脉动本质上仍具有周期性，进而可以触发低质量-阻尼组合参数圆柱体涡激振动。对于浸没在近壁面剪切层内的柱体，以柱体中心高度位置来流速度定义的斯特劳哈尔数随着间隙比的减小逐渐增加并最终趋于一个恒定值，最大值较远离壁面圆柱体的斯特劳哈尔数约大25%。在非常小间隙比（e/D ≤ 0.10）条件下，观测到了尾流脉动频谱的多峰特性。
为获得近壁面圆柱体涡激振动的临界触发速度和幅频响应特性，开展了系列大型水槽模型实验，分别采用激光位移传感器（LDT）和声学多普勒流速仪（ADV）以及PIV同步测量圆柱体涡激振动位移时程和远场来流速度变化以及绕流流场特性。近壁面圆柱体的涡激振动触发过程可以分为四个典型的阶段，包括：阶段-①：完全静止；阶段-②：间歇振动；阶段-③：急剧阶跃；阶段-④：涡激振动的上部激励阶段。阶段-②和阶段-③也称为涡激振动的初始激励阶段，但是当e/D ≤ 0.20时，间歇振动阶段消失。在急剧阶跃阶段，振动幅值阶跃的峰值随着间隙比的减小而减小，同时，振动频率阶跃的峰值与其呈负相关关系。和近壁面固定柱体绕流的涡脱落强度被削弱或抑制不同，弹性支撑的圆柱体涡激振动的临界触发速度呈现随间隙比的减小而减小的变化趋势，建立了考虑近壁面效应的圆柱体涡激振动临界触发约减速度公式。
研究发现了自然环境流动，升降流速作用下圆柱体涡激振动的迟滞效应：振动在初始激励阶段和上部激励阶段之间过渡时，升速和降速条件下柱体振动幅值和频率响应曲线并不重合，而是取决于接近过渡状态的方向，即从较低的约减速度升速或从较高的约减速度降速。流动降速条件下涡激振动停振所对应的下临界约减速度明显小于升速时涡激振动触发所对应的上临界约减速度，采用上临界与下临界约减速度的差值定量表征涡激振动迟滞程度，研究发现该值随着间隙比的减小呈线性增大趋势。柱体涡激振动的临界触发速度是评价工程结构稳定性的关键参量，为此，以海底悬跨管道为工程案例，研究了迟滞效应对海底管道允许悬跨长度的影响。采用下临界约减速度估算的允许悬跨长度显著小于常用的上临界约减速度估算的值，提出了一个无量纲参数用以定量描述涡激振动迟滞效应对允许悬跨长度的影响。