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문제 정의
- 본 연구는 모리슨 항력을 고려한 파랑 중 TLP의 비선형 거동 해석에 초점을 두었다. 수치 계산을 통해 저주파수 표류운동과 고주파수 링잉 응답에 미치는 점성효과를 살펴보았으며, 모형시험 결과와 비교하였다.
- 본 연구에서는 점성효과에 기인한 TLP의 비선형 운동특성을 살펴보기 위하여 모리슨 식에 의한 유체항력을 고려한 시간영역 수치해석 기법을 개발하였다. 자유감쇠, 규칙파 및 불규칙파 조건에 대해 수치해석을 수행하고 모형시험과 비교하여 적용한 수치해석 기법을 검증하였다.
- 시험은 TLP의 고주파수 운동응답인 스프링잉과 링잉 및 저주파수 표류운동에 초점을 두고 수행하였다. 본 연구의 목표는 모리슨 항력을 고려한 현 수치해석 모델의 점성효과를 실험치와 정량적으로 비교하는 것이다.
제안 방법
- Fig. 1에서는 본 연구에서 고려된 모리슨 모델을 도식화하여 제시하였다. 여기서 x0, y0, z0은 지구고정 좌표계를 보여주고 있으며, xb, yb, zb는 물체 고정 좌표계를 의미한다.
- 모형시험은 Static pull-out, 자유감쇠, 규칙파 및 불규칙파 시험 순으로 진행되었다. 규칙파 시험 시 파주기 조건은 TLP의 스프링잉과 링잉 응답 특성을 살펴보기 위하여 상하동요와 종동요 고유주기와 1배, 2배, 3배로 선택하였다. 이 때 각주기마다 세 가지 파기울기를 고려하여, 파고에 따른 TLP의 비선형 거동 특성을 살펴보고자 하였다.
- 모형시험에서는 Static pull-out test를 통해 텐던에 작용하는 장력과 수평 오프셋(Offset)의 관계를 확인하였으며, 자유감쇠시험을 통해 각 항력계수들을 확인하였다. 규칙파 시험 조건은 TLP의 비선형 거동을 확인하기 위해 파기울기와 주기를 변화시켜 선정하였다. 불규칙파 시험조건은 100년 주기파를 기준으로 유의파고와 정점주기(Modal period)를 변화시켜 세 가지 스펙트럼을 선정하였다.
- 규칙파 조건에서는 운동응답 중 스프링잉 및 링잉 응답을 확인하기 위해 실험과 수치해석 결과에 대한 푸리에해석을 수행하였으며, 수치계산 결과의 시계열과 실험 시계열을 직접 비교하여 6자유도 운동에서 모리슨 식으로 고려된 점성항력의 영향을 확인하였다. 불규칙파 결과에서는 통계치 해석과 푸리에해석을 통한 스펙트럼 비교 및 분석이 이루어졌다.
- 수치해석은 파랑 중에서 TLP 구조물의 비선형 거동을 확인하기 위해 점성항력이 고려된 시간영역 시뮬레이션을 수행하였다. 모형시험에서는 Static pull-out test를 통해 텐던에 작용하는 장력과 수평 오프셋(Offset)의 관계를 확인하였으며, 자유감쇠시험을 통해 각 항력계수들을 확인하였다. 규칙파 시험 조건은 TLP의 비선형 거동을 확인하기 위해 파기울기와 주기를 변화시켜 선정하였다.
- 모형시험은 Static pull-out, 자유감쇠, 규칙파 및 불규칙파 시험 순으로 진행되었다. 규칙파 시험 시 파주기 조건은 TLP의 스프링잉과 링잉 응답 특성을 살펴보기 위하여 상하동요와 종동요 고유주기와 1배, 2배, 3배로 선택하였다.
- 규칙파 시험 조건은 TLP의 비선형 거동을 확인하기 위해 파기울기와 주기를 변화시켜 선정하였다. 불규칙파 시험조건은 100년 주기파를 기준으로 유의파고와 정점주기(Modal period)를 변화시켜 세 가지 스펙트럼을 선정하였다.
- 본 연구는 모리슨 항력을 고려한 파랑 중 TLP의 비선형 거동 해석에 초점을 두었다. 수치 계산을 통해 저주파수 표류운동과 고주파수 링잉 응답에 미치는 점성효과를 살펴보았으며, 모형시험 결과와 비교하였다.
- 유체항력의 유무에 따른 수치해석 결과를 비교함으로써 유체항력이 TLP의 거동특성에 어떠한 영향을 미치는지를 고찰하였다. 수치계산 및 실험결과를 통하여 플랫폼에 작용하는 유체항력을 정량적으로 평가하였다. 본 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 수치해석은 파랑 중에서 TLP 구조물의 비선형 거동을 확인하기 위해 점성항력이 고려된 시간영역 시뮬레이션을 수행하였다. 모형시험에서는 Static pull-out test를 통해 텐던에 작용하는 장력과 수평 오프셋(Offset)의 관계를 확인하였으며, 자유감쇠시험을 통해 각 항력계수들을 확인하였다.
- 시험은 TLP의 고주파수 운동응답인 스프링잉과 링잉 및 저주파수 표류운동에 초점을 두고 수행하였다. 본 연구의 목표는 모리슨 항력을 고려한 현 수치해석 모델의 점성효과를 실험치와 정량적으로 비교하는 것이다.
- 자유감쇠, 규칙파 및 불규칙파 조건에 대해 수치해석을 수행하고 모형시험과 비교하여 적용한 수치해석 기법을 검증하였다. 유체항력의 유무에 따른 수치해석 결과를 비교함으로써 유체항력이 TLP의 거동특성에 어떠한 영향을 미치는지를 고찰하였다. 수치계산 및 실험결과를 통하여 플랫폼에 작용하는 유체항력을 정량적으로 평가하였다.
- Pijfer and Brink(1977)은 무한수심에서 파와 조류가 동시에 작용할 때, 반잠수식 시추선에 작용하는 표류력을 계산하였다. 이 계산 모델에서는 모리슨 식으로 단위플랫폼에 작용하는 동유체력을 적분하여 계산하고, 정수중의 조류력을 소거하였다. Hong(1985)은 이 모델을 유한수심으로 확장하여 반잠수식 시추선에 작용하는 표류력을 구하고 조류의 속도와 방향, 입사파의 파고, 파에 의한 물체의 운동효과가 표류력에 미치는 영향을 확인하였다.
- 규칙파 시험 시 파주기 조건은 TLP의 스프링잉과 링잉 응답 특성을 살펴보기 위하여 상하동요와 종동요 고유주기와 1배, 2배, 3배로 선택하였다. 이 때 각주기마다 세 가지 파기울기를 고려하여, 파고에 따른 TLP의 비선형 거동 특성을 살펴보고자 하였다. 실험시 쇄파는 발생하지 않았으며 규칙파 시험조건은 Table 2에 요약하여 제시하였다.
- 본 연구에서는 점성효과에 기인한 TLP의 비선형 운동특성을 살펴보기 위하여 모리슨 식에 의한 유체항력을 고려한 시간영역 수치해석 기법을 개발하였다. 자유감쇠, 규칙파 및 불규칙파 조건에 대해 수치해석을 수행하고 모형시험과 비교하여 적용한 수치해석 기법을 검증하였다. 유체항력의 유무에 따른 수치해석 결과를 비교함으로써 유체항력이 TLP의 거동특성에 어떠한 영향을 미치는지를 고찰하였다.
- 모리슨 모델에 작용하는 속도는 파랑입자, 조류, 플랫폼 운동의 법선방향 속도를 고려하여 사용하였다. 플랫폼 단위요소에 작용하는 힘을 적분하여 전체 플랫폼에 작용하는 점성항력을 계산하였다.
대상 데이터
- 모형시험에 사용된 모델은 Fig. 2 (a)에 나타낸 바와 같이 네개의 사각단면 기둥과 링 폰툰으로 구성되어 있다.
데이터처리
- TLP의 비선형 응답의 특성을 확인하기 위한 선수 규칙파 실험이 수행되었으며, 수치해석과 실험값을 RAO(Response amplitude operator)와 파랑표류력, 링잉 시계열 및 푸리에해석 결과로 비교하여 제시하였다. Fig.
- 규칙파 조건에서는 운동응답 중 스프링잉 및 링잉 응답을 확인하기 위해 실험과 수치해석 결과에 대한 푸리에해석을 수행하였으며, 수치계산 결과의 시계열과 실험 시계열을 직접 비교하여 6자유도 운동에서 모리슨 식으로 고려된 점성항력의 영향을 확인하였다. 불규칙파 결과에서는 통계치 해석과 푸리에해석을 통한 스펙트럼 비교 및 분석이 이루어졌다.
- 불규칙파 중의 운동 응답에 대해 비선형 수치해석 결과를 모형시험 데이터와 비교 검토하였다. Fig.
이론/모형
- TLP의 시간영역 거동해석을 위하여 시간 기억효과(Time memory effect)를 고려한 부유체의 6자유도 연성 운동방정식을 적용하였다. 수평면의 운동에는 표류력이 작용하며, 수직면의 운동에는 유체 정역학적 복원력이 포함되어 있다.
- 본 연구에서는 텐던 장력을 계산하기 위하여 선형 스프링 모델을 이용하여 모사하였다. 계산에서 사용되는 동유체력계수와 파 강제력은 고차 경계요소법으로 산출되었다.
- , , 는 각각 조류력, 풍력과 유체정역학적 복원력을 나타낸다. 본 연구에서는 텐던 장력을 계산하기 위하여 선형 스프링 모델을 이용하여 모사하였다. 계산에서 사용되는 동유체력계수와 파 강제력은 고차 경계요소법으로 산출되었다.
- 부유체 거동해석시 점성항력을 고려하기 위해 모리슨 식이 사용되었으며 그 예는 다음과 같다. Chitrapu and Ertekin(1995)은 큰 파고에서 TLP의 운동해석을 위해 포텐셜 이론의 해법에 모리슨 항력을 포함하는 비선형 시간영역 해석 모델을 제시한 바 있다.
- 4는 모형시험에서 사용된 백색잡음파(White noise)와 불규칙파의 스펙트럼을 도시하고 있다. 불규칙파 생성에는 JONSWAP 스펙트럼이 이용되었으며, 파도 조건은 100년 주기파 조건(SP1)을 기준으로 유의파고와 정점주기를 조절하여 SP2와 SP3로 분류하였다.
성능/효과
- (1) TLP의 고주파수 링잉 운동응답에 해당하는 3차 조화성분을 모리슨 식의 점성항을 적용하여 구현하였으며, 규칙파 및 불규칙파 실험을 통해 그 유효성을 확인하였다. 이 결과는 TLP와 유사한 기둥형 해양 구조물의 운동응답에도 적용할 수 있다.
- (2) 기둥형 해양구조물의 표류운동에서 비선형성이 큰 파랑의 경우, 모리슨 식의 점성항을 정수면 위까지 고려하여 포텐셜 이론만 고려한 경우보다 실험치와 높은 상관관계를 얻었으며 수면위 파 속도에 대한 스트레칭 효과의 중요성을 확인하였다.
- (3) 불규칙파 중에서 운동응답에서도 각 스펙트럼에서 점성항력을 통한 고주파수 운동응답이 확인되었으며, 종동요와 전후 동요에 운동에 있어서는 상대적으로 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 모리슨 항력의 영향이 수직방향 고주파수 응답에서는 미미한 것으로 나타났다.
- (3) 불규칙파 중에서 운동응답에서도 각 스펙트럼에서 점성항력을 통한 고주파수 운동응답이 확인되었으며, 종동요와 전후 동요에 운동에 있어서는 상대적으로 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 모리슨 항력의 영향이 수직방향 고주파수 응답에서는 미미한 것으로 나타났다.
후속연구
- (1) TLP의 고주파수 링잉 운동응답에 해당하는 3차 조화성분을 모리슨 식의 점성항을 적용하여 구현하였으며, 규칙파 및 불규칙파 실험을 통해 그 유효성을 확인하였다. 이 결과는 TLP와 유사한 기둥형 해양 구조물의 운동응답에도 적용할 수 있다.
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