[논문]심층수 취수용 해저 라이저의 3차원 흐름 응답해석

황하정; 우진호; 나원배; 김현주

doi:10.9765/kscoe.2015.27.2.113

심층수 취수용 해저 라이저의 3차원 흐름 응답해석
Three-Dimensional Flow Response Analysis of Subsea Riser Transporting Deep Ocean Water 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.27 no.2, 2015년, pp.113 - 117

황하정 (부경대학교 해양공학과) , 우진호 (부경대학교 해양공학과) , 나원배 (부경대학교 해양공학과) , 김현주 (선박해양플랜트 연구소)

초록
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본 연구에서는 연결재(커플러)로 결합된 라이저의 외부흐름에 따른 3차원 유동-구조 연동해석을 수행하였다. 두 가지 연결재(평면 커플러, 곡면 커플러)를 고려하였으며 ANSYS CFX를 사용하여 수치해석을 수행하였다. 유동해석에서 유동공간은 유입구, 유출구와 대칭 경계조건으로 구성되었으며 연결재의 형상에 따른 항력계수와 유속 분포 결과를 비교하였다. 구조해석에서는 라이저의 응답(최대 변위 및 최대 등가응력)을 통해 연결재의 유용성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents a 3-dimensional flow-structure interaction analysis of subsea risers in water flows. Two structural connectors (flat and circular couplers) were intentionally devised and numerically tested using ANSYS CFX to investigate how these couplers behave under the water flows. In the flow analysis, the water field was constructed with an inlet, outlet, and symmetric boundary conditions. As a result, the responses (drag coefficients and pressure fields) were obtained and the pressure fields were applied for the structural analysis. Finally, the structural responses (displacements and equivalent stresses) of the risers were measured to demonstrate the efficiency of the riser connectors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이런 관점에서 본 연구에서는 외부 흐름에 의해 발생하는 라이저 연결부의 거동을 획득하기 위해 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 즉, 흐름해석을 수행하여 라이저 주변의 유속 및 압력 분포를 얻었으며 이를 외력으로 재하하여 구조해석을 수행하고 라이저의 응답(응력, 변위)을 얻었다.

가설 설정

그리고 구조해석의 경우 흐름해석을 통해 얻어진 압력장을 구조물에 작용하는 외력으로 산정하여 구조해석을 수행하였다. 구조해석 과정에서는 구조물의 재료를 선형 재료로 가정하여 해석을 수행하였다.
라이저와 커플러의 접착제는 에폭시를 고려하였으며 에폭시의 도포길이는 커플러의 길이와 동일하다고 가정하였다. 사용된 재료의 물성치는 Table 1에 나타내었다(Bienias et al.

제안 방법

난류 운동 에너지와 그 손실률에 대한 수송 방정식을 포함하는 2-방정식 난류모델인 k-ε 난류모델을 사용하였다. 그리고 구조해석의 경우 흐름해석을 통해 얻어진 압력장을 구조물에 작용하는 외력으로 산정하여 구조해석을 수행하였다. 구조해석 과정에서는 구조물의 재료를 선형 재료로 가정하여 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 에폭시 접착제가 도포된 라이저를 대상으로 심층수 취수용 해저 라이저의 흐름 응답해석을 수행하였다. 외부 유동에 의해 라이저에 발생하는 압력을 하중으로 구조물의 연결부 형상 변화에 따른 거동 해석을 수행하였다.
즉, 흐름해석을 수행하여 라이저 주변의 유속 및 압력 분포를 얻었으며 이를 외력으로 재하하여 구조해석을 수행하고 라이저의 응답(응력, 변위)을 얻었다. 연결부인 커플러의 형상에 따라 단순 라이저(SR, simple riser), 평면 커플러로 연결된 라이저(FCR, flat coupler riser), 그리고 곡면 커플러로 연결된 라이저(CCR, circular coupler riser)를 제안하고 라이저의 응답을 바탕으로 이들의 구조특성을 분석하였다.
본 논문에서는 에폭시 접착제가 도포된 라이저를 대상으로 심층수 취수용 해저 라이저의 흐름 응답해석을 수행하였다. 외부 유동에 의해 라이저에 발생하는 압력을 하중으로 구조물의 연결부 형상 변화에 따른 거동 해석을 수행하였다. 유속 및 연결재의 형상에 따른 변위와 등가응력을 도출하여 그 영향을 확인하였다.
이런 관점에서 본 연구에서는 외부 흐름에 의해 발생하는 라이저 연결부의 거동을 획득하기 위해 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 즉, 흐름해석을 수행하여 라이저 주변의 유속 및 압력 분포를 얻었으며 이를 외력으로 재하하여 구조해석을 수행하고 라이저의 응답(응력, 변위)을 얻었다. 연결부인 커플러의 형상에 따라 단순 라이저(SR, simple riser), 평면 커플러로 연결된 라이저(FCR, flat coupler riser), 그리고 곡면 커플러로 연결된 라이저(CCR, circular coupler riser)를 제안하고 라이저의 응답을 바탕으로 이들의 구조특성을 분석하였다.
커플러의 형상, 곡면 커플러의 곡률과 유속에 따른 라이저의 응답해석을 수행하였다. 평면 커플러의 두께인 40 mm를 기준으로 ±10, 20%의 증감을 고려하였다.
(2010)의 연구에 따르면 해저 라이저는 고압에서 운용되는 경우가 대부분이다. 환경적 요인에 의한 수축, 팽창으로 인한 라이저의 손상을 저감시키기 위하여 라이저의 연결부에 10 mm의 이격을 두어 모델링을 수행하였다. 유동공간의 경우 요소의 최대길이가 1.
흐름해석 결과에서 라이저 주변의 유속 및 압력의 분포를 알아보았다. SR의 경우 유속 및 압력분포가 Fig.
흐름해석(유속 2 m/s)을 통해 얻어진 결과인 유체 압력을 외력으로 산정하여 라이저의 구조해석을 수행하였다. 커플러의 형상에 따른 라이저의 거동을 확인하기 위하여 FCR과 CCR을 대상으로 커플러의 투영면적에 따라 라이저에 발생하는 최대 변위(maximum deformation)와 최대 등가응력(maximum equivalent stress)을 비교하였다.

대상 데이터

라이저의 단면 형상은 Fig. 1과 같으며 연결부가 없이 단일하게 제작된 SR과 평면 커플러로 연결된 FCR, 곡면 커플러로 연결된 CCR을 대상으로 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 FCR과 CCR 모델 형상은 Fig.
곡면 커플러는 평면 커플러의 투영 면적과 동일하게 4962, 5265, 5609, 6602, 10445 mm의 곡률반경으로 모델링하였다. Vega와 Nihous(1994)는 5 MW 온도차 발전 플랜트의 유속으로 1.5 m/s를 사용하였으며 본 연구에서는 유속 2 m/s를 기준으로 해석을 수행하였다. 유속의 차이에 따른 항력계수 변화를 알아보기 위해 2, 4, 8, 10 m/s의 유속을 추가적으로 고려하였다.
평면 커플러의 두께인 40 mm를 기준으로 ±10, 20%의 증감을 고려하였다. 곡면 커플러는 평면 커플러의 투영 면적과 동일하게 4962, 5265, 5609, 6602, 10445 mm의 곡률반경으로 모델링하였다. Vega와 Nihous(1994)는 5 MW 온도차 발전 플랜트의 유속으로 1.
본 연구에서는 가로, 세로, 높이가 20 m인 유동공간에 거치된 라이저를 해석대상으로 선정하였다. 일반적으로 라이저의 경우 전체 형상을 고려하여 해석을 수행해야 하나 본 연구에서는 연결재의 형상을 고려한 라이저의 유체-구조 연성 해석의 초기연구로 라이저의 대상길이는 20 m로 제한하여 모델링과 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 가로, 세로, 높이가 20 m인 유동공간에 거치된 라이저를 해석대상으로 선정하였다. 일반적으로 라이저의 경우 전체 형상을 고려하여 해석을 수행해야 하나 본 연구에서는 연결재의 형상을 고려한 라이저의 유체-구조 연성 해석의 초기연구로 라이저의 대상길이는 20 m로 제한하여 모델링과 해석을 수행하였다. 라이저의 단면 형상은 Fig.
1과 같으며 연결부가 없이 단일하게 제작된 SR과 평면 커플러로 연결된 FCR, 곡면 커플러로 연결된 CCR을 대상으로 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 FCR과 CCR 모델 형상은 Fig. 2와 같다.

데이터처리

흐름해석(유속 2 m/s)을 통해 얻어진 결과인 유체 압력을 외력으로 산정하여 라이저의 구조해석을 수행하였다. 커플러의 형상에 따른 라이저의 거동을 확인하기 위하여 FCR과 CCR을 대상으로 커플러의 투영면적에 따라 라이저에 발생하는 최대 변위(maximum deformation)와 최대 등가응력(maximum equivalent stress)을 비교하였다. 여기서 투영면적의 변화는 단순 라이저의 두께 변화, 평면 커플러의 두께와 곡면 커플러의 곡률변화에 기인한다.

이론/모형

CFD(computation fluid dynamics)는 Navier-Stokes 방정식을 수치적으로 해결하기 위한 방법을 이르며, 본 연구에서는 요소기반 유한체적법(element-based finite volume technique)을 기반으로 하는 CFX를 사용하였다. 난류 운동 에너지와 그 손실률에 대한 수송 방정식을 포함하는 2-방정식 난류모델인 k-ε 난류모델을 사용하였다.
CFD(computation fluid dynamics)는 Navier-Stokes 방정식을 수치적으로 해결하기 위한 방법을 이르며, 본 연구에서는 요소기반 유한체적법(element-based finite volume technique)을 기반으로 하는 CFX를 사용하였다. 난류 운동 에너지와 그 손실률에 대한 수송 방정식을 포함하는 2-방정식 난류모델인 k-ε 난류모델을 사용하였다. 그리고 구조해석의 경우 흐름해석을 통해 얻어진 압력장을 구조물에 작용하는 외력으로 산정하여 구조해석을 수행하였다.

성능/효과

본 연구로부터 라이저의 유체-구조 연성해석을 통한 연결 재의 형식에 따른 라이저의 응답분석이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 그러나 실질적으로 라이저의 경우 단면에 비해 길이가 긴 구조로써 이를 일정 길이로 제한하여 해석할 경우 하중 또는 경계조건을 충분히 고려하지 못하는 단점이 있다.
8의 항력계수를 나타났다. 유속변화에 따른 항력계수의 변화는 발생하지 않았으며 연결재의 형식에 따라 항력계수가 달라진다.

후속연구

그러나 실질적으로 라이저의 경우 단면에 비해 길이가 긴 구조로써 이를 일정 길이로 제한하여 해석할 경우 하중 또는 경계조건을 충분히 고려하지 못하는 단점이 있다. 따라서 전체 라이저의 형상, 내부유체 및 외부 하중을 충분히 고려한 유체-구조해석이 수행될 필요가 있으며 실제 실험을 통한 수치해석의 검증 및 해석결과의 수렴정도의 판단이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심층수란?	심층수(deep ocean water)는 햇빛이 도달하지 않는 수심 200 m 이하의 바닷물을 의미하며 밀도차이로 인해 표층수와 섞이지 않고 거대한 수괴를 형성하여 해양대류에 의해 이동하며 순환한다. 심층수는 청정성, 부영양성, 저온 안정성, 숙성성을 가지며 이들 특성으로 인해 농업, 수산업을 비롯한 다양한 산업에 이용된다.
	심층수의 특성은?	심층수(deep ocean water)는 햇빛이 도달하지 않는 수심 200 m 이하의 바닷물을 의미하며 밀도차이로 인해 표층수와 섞이지 않고 거대한 수괴를 형성하여 해양대류에 의해 이동하며 순환한다. 심층수는 청정성, 부영양성, 저온 안정성, 숙성성을 가지며 이들 특성으로 인해 농업, 수산업을 비롯한 다양한 산업에 이용된다.
	라이저를 연결하는 방식 중 연결재를 이용하는 경우 고려되어야 하는 것은?	그 중 수중 용접은 용접부 표면의 기공 또는 언더컷과 같이 구조물의 강도를 저하시키는 요소가 발생할 수 있어 라이저의 안정성을 저해할 수 있으며 경제성이나 효율성이 떨어지는 단점이 있다(Park and Kim, 2005). 반면, 연결재를 이용하는 경우 연결재와 파이프 사이에 이격으로 발생하는 해수의 유입, 내부 매질의 유출, 연결재의 산화 등이 고려되어야 한다. 현재 운용중인 라이저들은 수심 3000 m 이하에서 사용됨으로 보다 저층의 심해 자원을 개발하기 위해서는 높은 수압, 자중, 부력, 흐름을 고려한 이음부가 설계되어야 하며 연결재의 형식에 따른 안정성 해석이 수행되어야 한다.

참고문헌 (8)

Bienias, J., Debski, H., Surowska, B., Sadowski, T. (2012). Analysis of microstructure damage in carbon/epoxy composites using FEM. Computational Materials Science, 64, 168-172.

상세보기
Fox, R.W., Mcdonald, A.T., Pritchard, P.J. (2004), Introduction to Fluid Mechanics 6th Edition, John Wiley & Sons Inc., New Jersey
Gong, S., Sun, B., Bao, S., Bai, Y. (2012). Buckle propagation of offshore pipelines under external pressure. Marine Structure, 29(1), 115-130.

상세보기
Hasanloo, D., Pang, H., Yu, G. (2012). On the estimation of the falling velocity and drag coefficient of torpedo anchor during acceleration. Ocean Engineering, 42, 135-146.

상세보기
Hwang, H., Na, W.B., Kim, H.J. (2013). Two-dimensional Stress Characteristics of Pipe Cross-section According to Epoxy Bonding Length. The Korean Association of Ocean Science and Technology Societies, 2013-2019 (in Korean).
Park, K.D., Kim, D.W. (2005). An experimental study on weld characteristic for piping connection part. The Korean Society of Marine Engineering. Proceedings of annual fall conference, 226-227 (in Korean).
Vega, L.A., Nihous, G.C. (1988). At-Sea Test of the Structural Response of a Large Diameter Pipe Attached to a Surface Vessel. Offshore Technology Conference, Houston, 473-480.
Yang, S.H., Jung, J.J., Lee, W.S., Do, C.H. (2010). Research on the Analysis Method of Thermal Buckling of Subsea Pipeline Structures. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(2), 225-232 (in Korean).

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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