[논문]파랑 중 실린더형 구조물의 동적 안정성에 대한 연구

장민석; 조효제; 황재혁; 김재희; 이병성; 박충환

doi:10.5574/ksoe.2017.31.3.196

[국내논문] 파랑 중 실린더형 구조물의 동적 안정성에 대한 연구
Study on Dynamic Stability of Cylindrical Structure in Waves 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.31 no.3, 2017년, pp.196 - 201

장민석 (한국해양대학교 해양과학기술전문대학원) , 조효제 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 황재혁 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 김재희 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 이병성 (중소조선연구원) , 박충환 (중소조선연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

A cylindrical structure has a very long period of heave and pitch motion response in ocean waves. To obtain the dynamic stability of a cylindrical structure, it is necessary to obtain the suitable metacentric height (GM). However, in a structure with sufficient metacentric height, Mathieu instability can occur if the natural frequency of the heave motion is double the natural frequency of the roll and pitch motion. This study carried out numerical calculations and experiments for vertical-axis wind turbines with cylindrical floaters, which had three different centers of gravity. In the regular wave experiment, the divergence of the structure motion without yaw was observed when the natural frequency of the heave motion was double the natural frequency of the roll and pitch motion. In the irregular wave experiment, the motion spectra of the structures with the different centers of gravity were compared, and one was very high when the natural frequency of the heave motion was double the natural frequency of the roll and pitch motion.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에선 수직축 풍력터빈(Vertical axis wind turbine)을 탑재한 실린더형 구조물에 대해 3가지 무게중심에 따른 운동성능을 이론계산 및 실험을 통하여 관찰하였다. 규칙파 실험에서 Heave 공진주파수 주위의 입사파에 대해서 Mathieu 불안정 현상이 나타나는 것을 확인 하였고, 불규칙파 실험에서 각각의 무게중심 Case에 대해 Mathieu 불안정 현상을 운동스펙트럼을 통하여 비교 분석 하였다.

제안 방법

본 논문에선 수직축 풍력터빈(Vertical axis wind turbine)을 탑재한 실린더형 구조물에 대해 3가지 무게중심에 따른 운동성능을 이론계산 및 실험을 통하여 관찰하였다. 규칙파 실험에서 Heave 공진주파수 주위의 입사파에 대해서 Mathieu 불안정 현상이 나타나는 것을 확인 하였고, 불규칙파 실험에서 각각의 무게중심 Case에 대해 Mathieu 불안정 현상을 운동스펙트럼을 통하여 비교 분석 하였다.
Table 4는 실험 Case구분을 위하여 각 Case에 대한 이름을 설명하고 있다. 규칙파는 2.09rad/s부터 3.92rad/s까지 8개로 나누었으며 불규칙파는 평균주기 3.58rad/s, 유의파고 0.1235m의 ITTC(International Towing Tank Conference) 스펙트럼을 가진다.

대상 데이터

실험은 3차원 조파수조에서 수행하였으며 수조의 크기는 길이 28m, 폭 22m, 깊이 2.5m이다. Fig.
5m이다. Fig. 1은 실험 모델을 나타내며 구조물은 수직축 풍력터빈을 제외하고 지름 0.5m, 높이 1.5m로 제작되었으며 흘수는 1m이다. 부유체의 위치유지를 위한 계류는 규칙파 실험에선 선형스프링을 적용하였으며 불규칙파 실험에선 Catenary 계류시스템을 적용하였다.

데이터처리

, 2013). 본 논문에서 δGM은 각 규칙파 실험 결과에서 Heave 운동진폭으로부터 δKB, δBM을 계산하여 구하였다.

이론/모형

5m로 제작되었으며 흘수는 1m이다. 부유체의 위치유지를 위한 계류는 규칙파 실험에선 선형스프링을 적용하였으며 불규칙파 실험에선 Catenary 계류시스템을 적용하였다. 선형스프링의 설치위치는 각 무게중심과 같은 높이의 페어리드(Fair lead)에 수평으로 설치하여 Pitch 운동에 대한 영향을 최소화 하도록 하였다.

성능/효과

(1) 실린더형 구조물의 Heave 공진주파수가 Pitch 공진주파수에 2배인 경우에서 구조물의 Heave 공진주파수와 가까운 입사파에 대해 Mathieu 불안정 현상이 발생하여 운동응답이 발산하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 실린더형 구조물의 설계에 있어 단순히 큰 메타센터높이를 확보하는 것만이 실린더형 구조물의 동적안정성을 확보하는 방법이 아님을 알 수 있다.
(2) 불규칙파 실험을 통하여 규칙파 실험과 마찬가지로 KG1 case에서 Mathieu 불안정 현상이 나타나는 것을 확인하였다. 이로써 실린더형 구조물의 Heave 공진주파수가 Pitch 공진주파수의 2배가 되는 경우, 입사파의 주파수가 Heave 공진주파수가 아님에도 불구하고 높은 파고에 기인하여 Mathieu 불안정 현상이 나타날 수 있음을 파악하였다.
(3) 실린더형 구조물 설계 시 필요에 의해 구조물의 크기나 하중조건이 대폭 변경될 경우 Mathieu 불안정 현상을 피할 수 있도록 무게중심을 주의 깊게 고려해야 한다.

후속연구

향후 연구로 Mathieu 불안정 현상을 억제 할 수 있는 Heave plate등에 대해 더 연구할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실린더형 구조물은 다른 구조물에 비해 Heave 운동에 따른 메타센터높이의 변화가 크고, 계속적으로 변하게 되는데 이것이 의미하는 것은?	실린더형 구조물은 다른 구조물에 비해 Heave 운동에 따른 메타센터높이의 변화가 크고, 계속적으로 변하게 된다. 이는 비교적 큰 Heave 운동이 발생할 때 메타센터높이와 비례관계인 Roll 및 Pitch 운동의 복원력이 Heave 운동에 의해 크게 영향을 받을 수 있음을 의미한다. 실린더형 구조물의 Mathieu 불안정 현상은 구조물의 Heave 운동 공진주파수가 Roll 및 Pitch 운동 공진주파수의 2배일 때 큰 Heave 운동에 영향을 받아 나타나는 현상이다.
	실린더형 구조물의 특징은?	실린더형 구조물은 동적 안정성의 확보를 위해 실린더 하부에 적절한 밸러스트(Ballast)를 통하여 부심(Center of buoyancy) 아래에 무게중심(Center of gravity)을 두고 있다. 실린더형 구조물은 해양파와의 공진을 피하도록 아주 긴 운동주기를 가지고 있는 것이 특징이며 TLP(Tension Leg Platform)에서 나타나는 Springing이나 Ringing현상은 피할 수 있는 반면, 장주기 표류운동(Slow drift motion)이 나타날 수 있다(Oh., 2003).
	구조물을 설계함에 있어 아주 중요한 점은?	구조물을 설계함에 있어 아주 중요한 점은 적절한 무게중심을 고려하는 것이다. 실린더형 구조물은 다른 구조물에 비해 작은 수선면적을 가지고 있기 때문에 Pitch와 Roll운동의 복원모멘트(Restoring moment)에 영향을 미치는 메타센터높이(Metacentric height, GM)가 무게중심위치에 의해 크게 좌우된다.

참고문헌 (6)

Hong, Y.P., Lee, D.Y., Choi, Y.H., Hong, S., Kim, S.E., 2005. An Experimental Study on the Extreme Motion Responses of a Spar Platform in the Heave Resonant Waves. In The Fifteenth International Offshore and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers.
Koo, B.J., Kim, M.H., Randall, R.E., 2004. Mathieu Instability of a Spar Platform with Mooring and Risers. Ocean Engineering, 31(7), 2175-2208.

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Oh, T.W., 2003. An Experimental Study for the Dynamic Behaviour of Spar. M.Sc Thesis, Korea Maritime and Ocean University, Republic of Korea.
Park, C.I., 2013. Stability Analysis of Mathieu Equation by Floquet Theory and Perturbation Method. Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 23(8), 734-741.

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Rho, J.B., Choi, H.S., 2005. The Effect of Damping Plate on Mathieu-type Instability of Spar Platform. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 42(2), 124-128.

원문보기 상세보기
Rho, J.B., Choi, H.S., Shin, H.S., Park, I.K., 2005. A Study on Mathieu-type Instability of Conventional Spar Platform in Regular Waves. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 15(2), 104-108.

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