[논문]해저지반에 설치된 스포일러 부착형 파이프라인의 자가매설 기능분석

이우동; 허동수; 김한솔; 조효제

doi:10.5574/ksoe.2016.30.4.310

[국내논문] 해저지반에 설치된 스포일러 부착형 파이프라인의 자가매설 기능분석
Self-Burial Structure of the Pipeline with a Spoiler on Seabed 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.30 no.4, 2016년, pp.310 - 319

이우동 (국립경상대학교 해양산업연구소) , 허동수 (국립경상대학교 해양토목공학과) , 김한솔 ((주)지오시스템리서치 연안관리부부) , 조효제 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

If a spoiler was attached to the pipeline investigated in a previous study, a strong flow and vortex at the lower part caused scouring and thus an asymmetric pressure distribution, which assisted in the analysis of the self-burial structure where a down force was applied to the pipe. However, only the fluid-pipe interaction was considered, excluding the medium (seabed), when practically burying the pipeline. Thus, this study applied a numerical model (LES-WASS-2D) to directly analyze the non-linear interactions among the fluid, pipe, and seabed in order to perform numerical simulations of a pipeline with a spoiler installed on the seabed. This allowed the self-burial mechanism of a pipeline with a spoiler to be analyzed in the same context as the previous study that considered only the fluid-pipe interaction. However, when a pipeline was installed on the seabed, a strong flow and vortex were found at the front of the bottom, and a spoiler accelerated the fluid resistances. This hydraulic phenomenon will reinforce the scouring and down force on the pipeline. In the general consideration of the numerical analysis results by the specifications and arrangements of the spoiler, a pipeline with a spoiler was found to be the most effective for the self-burial function.

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문제 정의

그리고 스포일러 유무에 따른 유체-파이프-해저지반의 비선형 상호간섭에 의한 수리특성(유동, 와동, 압력)을 분석하고, 이것으로부터 자가매설 기능을 분석한다. 나아가 스포일러에 제원 및 배치에 따른 수리특성을 수치적으로 조사하여 자가매설에 유리한 스포일러의 제원 및 배치에 관하여 논의한다.
본 연구에서는 해저지반에 설치된 스포일러 부착형 파이프라인의 자가매설 원리를 분석하기 위하여 PBM(Porous body model)기반의 N-S(Navier-Stokes) Solver를 이용하여 유체해석을 수행한다. 그리고 스포일러 유무에 따른 유체-파이프-해저지반의 비선형 상호간섭에 의한 수리특성(유동, 와동, 압력)을 분석하고, 이것으로부터 자가매설 기능을 분석한다.

제안 방법

본 연구에서는 해저지반에 설치된 스포일러 부착형 파이프라인의 자가매설 원리를 분석하기 위하여 PBM(Porous body model)기반의 N-S(Navier-Stokes) Solver를 이용하여 유체해석을 수행한다. 그리고 스포일러 유무에 따른 유체-파이프-해저지반의 비선형 상호간섭에 의한 수리특성(유동, 와동, 압력)을 분석하고, 이것으로부터 자가매설 기능을 분석한다. 나아가 스포일러에 제원 및 배치에 따른 수리특성을 수치적으로 조사하여 자가매설에 유리한 스포일러의 제원 및 배치에 관하여 논의한다.
, 2016)를 이용하였다. 그리고 단방향 정상흐름 하에서 고정상의 수치시뮬레이션을 통하여 스포일러 부착에 따른 파이프라인 주변의 수리특성(유동, 와동, 압력)을 해석하였고, 파이프에 직접 작용하는 연직 유체력을 추정하였다. 이 결과를 바탕으로 해저지반에 설치된 스포일러 부착형 파이프라인의 자가매설 기능을 수치적으로 분석할 수 있었다.

데이터처리

수치모델 LES-WASS-2D를 검증하기 위하여 PIV(Particle image velocimetry)시스템을 적용한 Oner(2010)의 수리모형실험결과와 비교·분석한다. Fig.
(1) 이용하는 유체역학적 수치모델 LES-WASS-2D의 타당성 및 유효성을 확인하기 위하여 PIV시스템을 적용한 Oner(2010)의 실험결과와 비교·분석하였다.

이론/모형

본 연구에서는 해저지반에 설치된 스포일러 부착형 해저파이프라인의 자가매설 기능을 수치적으로 분석하기 위하여 Hur et al.(2011)이 개발한 고정도의 2차원 파동장 모델을 기반으로 유체역학적 정도를 향상시킨 LES-WASS-2D(Lee et al., 2016)를 이용한다. 이 LES-WASS-2D는 PBM 기반의 단면 N-S solver로서 투과성 매체의 특성(입경, 공극, 형상 등)에 반영한 유체저항(관성, 난류, 층류)에 의한 에너지소산을 추정할 수 있다.
이 LES-WASS-2D는 PBM 기반의 단면 N-S solver로서 투과성 매체의 특성(입경, 공극, 형상 등)에 반영한 유체저항(관성, 난류, 층류)에 의한 에너지소산을 추정할 수 있다. 그리고 SGS(sub-gride scale)의 난류영역까지 직접고려하기 위하여 LES(large eddy simulation; Smagorinsky, 1963)기법을 기초하여 동적 와동 점성모델(Germano et al., 1991; Lilly, 1992)을 적용한다. 또한 자유수면의 표면장력을 추정하기 위하여 CSF(Continuum surface force)모델(Brackbill et al.
, 1991; Lilly, 1992)을 적용한다. 또한 자유수면의 표면장력을 추정하기 위하여 CSF(Continuum surface force)모델(Brackbill et al., 1992)을 이용하고 있다.
지배방정식은 2차원 비압축성의 점성유체를 고려한다. 그리고 무반사로 흐름/파랑을 발생시킬 수 있는 소스항이 포함된 연속방정식 (1) 그리고 투과성 매체 내부의 유체저항을 도입하여 수정된 Navier-Stokes 운동방정식 (2)로 구성된다.
본 연구에서는 해저지반에 설치된 스포일러 부착형 파이프라인의 자가매설 기능을 분석하기 위하여 파동장 모델(Hur et al.,2011)로부터 수치적인 정확도를 향상시킨 LES-WASS-2D(Lee et al., 2016)를 이용하였다. 그리고 단방향 정상흐름 하에서 고정상의 수치시뮬레이션을 통하여 스포일러 부착에 따른 파이프라인 주변의 수리특성(유동, 와동, 압력)을 해석하였고, 파이프에 직접 작용하는 연직 유체력을 추정하였다.

성능/효과

그리고 단방향 정상흐름 하에서 고정상의 수치시뮬레이션을 통하여 스포일러 부착에 따른 파이프라인 주변의 수리특성(유동, 와동, 압력)을 해석하였고, 파이프에 직접 작용하는 연직 유체력을 추정하였다. 이 결과를 바탕으로 해저지반에 설치된 스포일러 부착형 파이프라인의 자가매설 기능을 수치적으로 분석할 수 있었다. 또한 자가매설에 유리한 스포일러의 제원 및 배치를 검토하였다.
(2) 파이프라인이 해저지반에 설치될 경우, 상하로 빠져나가는 흐름의 영향으로 후류가 발달하였고, 흐름 저항으로 인하여 전면에서 와류가 형성되었다. 이와 같은 수리현상은 스포일러가 부착될 경우 더욱 심화되는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 파이프 저면의 와동현상을 분석하였으며, 전·후면에서 나타나는 와동에 기인한 세굴은 스포일러가 존재할 경우에 더욱 가속화되어 자가매설에 유리하게 작용할 것으로 분석되었다.
(4) 스포일러를 부착할 경우 나타나는 상하 비대칭적인 유동/와동장으로 인하여 형성된 패턴평균 동압력분포는 파이프에 작용하는 하향력을 증가시켰다. 이것은 자가매설에 주요한 원인의 하나이다.
(5) 본 연구에서 검토한 수치실험조건 내에서 자가매설에 유리한 스포일러의 제원 및 배치를 종합적으로 분석하였으며, S/D=0.25, αS =15°가 적절한 것으로 판단되었다.

후속연구

이상의 스포일러 길이에 대한 논의에 근거하여 스포일러 길이가 길어질수록 자가매설에 유리한 수리특성이 나타난다. 하지만 자가매설에 용이한 스포일러의 길이는 설치지역의 지반조건 및 해양외력의 특성을 고려하여 결정하여야 할 뿐만 아니라, 스포일러의 재료 및 구조적인 안정성까지 다각도에서 검토되어야 할 것이다.
실 해역에 자가매설을 통해 해저파이프라인의 안정성을 확보하기 위해서는 대상해역의 해지저반 및 해양물리력을 사전에 충분히 조사할 것이며, 그 조사결과를 토대로 수리모형실험이나 고정도의 수치실험을 통한 검토가 수반되어야 한다. 그리고 스포일러의 재료 및 구조적인 검토도 놓쳐서는 안 된다.
그리고 스포일러의 재료 및 구조적인 검토도 놓쳐서는 안 된다. 마지막으로 설치 후에는 철저한 모니터링을 통해 실 현장에 설치된 스포일러 부착형 파이프라인의 자가매설 과정을 면밀히 조사/분석할 필요가 있다.

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