[논문]굽은 형상을 가지는 라이저 주위 유동 특성에 관한 연구

정재환; 오승훈; 남보우; 박병원; 권용주; 정동호

doi:10.26748/ksoe.2018.079

[국내논문] 굽은 형상을 가지는 라이저 주위 유동 특성에 관한 연구
Numerical Study on Flow Characteristics Around Curved Riser 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.33 no.2, 2019년, pp.123 - 130

정재환 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 오승훈 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 남보우 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 박병원 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 권용주 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 정동호 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The flow around a curved riser exposed to the current in various directions was investigated at a Reynolds number of 100 using a numerical simulation. The present study found that the flow features of the curved riser were distinct from those of a straight riser as a result of its large radius of curvature. Namely, there were various wake patterns according to the flow's incident angle. As the incident angle increased from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$, a two-row street of vortices that developed along the centerline of the curved riser became more apparent. However, when the incident angle approached $180^{\circ}$ from $90^{\circ}$, these vortices were completely suppressed by the interaction between the wake and an axial flow induced by the curvature of the riser. To identify this feature, the sectional force coefficients were also considered, and it was found that the force coefficients could be different from those found in a sectional analysis based on the strip theory when investigating vortex-induced vibration. As a result, this kind of study would be important to realistically estimate the riser VIV (vortex-induced vibration) and fatigue life, and a new force coefficient database that includes the three-dimensional effect should be established.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(2007)의 모델에 유동 입사각 범위를 0°~180° 고려하여 라이저 주위 유동 및 유체력 특성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 Re=100에서 유동 입사각 0°~180°를 고려하여 굽은 라이저 주위 유동 및 유체력 특성을 분석하였다.

가설 설정

흥미롭게도 θ가 135°이상(Figs. 5(d)-5(e))부터 이러한 이열 와구조의 발생은 억제되고 정상상태의 유동특성을 보인다. 특히, θ=180°일 때 굽은 라이저의 상부영역에 주 유동방향의 와류 쌍(Vortex pair)이 발생하는 것을 Fig.
굽은 라이저 주위 유동 및 국부 단면별 유체력 계수 특성 평가를 위해 비압축성 층류 유동을 가정, 상용 CFD 해석 솔버인 STAR-CCM+을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 본 연구에서 고려한 굽은 라이저에 대한 형상 정보, 전역 및 국부 좌표계, 유동 입사각(θ) 그리고 주 유동방향과 굽은 라이저의 국부 단면이 이루는 경사각(φ)에 대한 정의를 Fig.

제안 방법

2차원 수치해석을 통해 검토된 라이저 주위 격자분포를 활용하여 굽은 라이저에 대한 3차원 격자 시스템으로 확장하였다. 입사각 변화에 따라 굽은 라이저의 후류 유동 특성이 달라지는 것을 고려하여 후류 영역에 맞춰 격자 분포를 조정하였는데, 결과적으로 유동 입사각 변화에 따른 해석 케이스들의 격자수는 최소 300만개에서 최대 800만개가 사용되었으며 유동 입사각에 따른 굽은 라이저 주위 격자분포를 Fig.
(2018)의 계산영역을 참고하였으며, 입사각 변화를 고려하기 위해 기존 연구들에서 사용된 해석영역의 크기보다 더 큰 해석영역을 고려하였다. 경계조건에 대해 설명하자면, 균일유동을 고려하기 위해 일정 속도를 경계에 적용하는 Velocity inlet 조건을 입구 경계면에 적용하였으며 출구 경계면에는 대류경계조건을 고려하기 위해 Flow-split outlet 조건을 사용하였다. 그리고 굽은 라이저는 점착 조건(No-slip)을, 나머지 경계면들은 대칭 조건을 부여하였다.
1(a)에 도시한 라이저의 각 단면별 국부좌표계를 활용하여 방향별 유체력 계수를 구하였고 이 때 θ에 관계없이 유체 속도와 밀도 그리고 단면 위치별 투영 길이를 유체력 계수 계산에 동일하게 적용 하였다. 굽은 라이저의 국부 단면 위치별 유체력 변화를 관찰하기 위해 라이저의 호의 길이를 s로 정의하였으며 라이저의 직경, D로 무차원 하였다. 여기서 s/D=0은 라이저 상부 시작점인 φ=0°를 나타내며 s/D=19.
여기서 두 가지 배치를 고려하였는데, 첫 번째는 환형의 1/4 형상 바깥쪽 면이 유동의 정체면(Stagnation face)으로 형성되면 볼록 배치(Convex configuration)로 다른 하나는 그리고 안쪽면이 정체면이 되면 오목 배치(Concave configuration)라 정의하였다. 그리고 각 배치와 레이놀즈 수 변화에 따른 유동 특성을 분석하였다. 그 결과, 와흘림이 발생하는 볼록 배치와 달리 오목 배치의 경우 굽은 실린더 형상을 따라 발달하는 축방향 유동이 실린더 후류와 상호작용하여 와흘림 발생이 억제되는 것을 관찰하였다.
따라서 실환경에서 사용되는 라이저의 기하학 및 동역학적 상사는 고려되지 않았다. 그리고 라이저 주위의 명확한 유동 구조의 관찰을 위해 2차원 층류 유동특성이 나타나는 Re=100에서 수치해석을 수행하여 유동 입사각 변화에 따른 라이저 주위 유동 특성 및 단면별 유체력 계수를 평가하였다.
유동 입사각이 0°와 180°인 경우, 굽은 라이저는 주 유동방향에서 대칭 형상을 가지지만, 0°와 180°를 제외한 입사각에서는 비대칭 형상을 가진다. 따라서 라이저의 와흘림에 의한 유체력 변화 특성을 분석하기 위해 유체력 계수의 평균 및 표준편차 값을 도입하여 유동 입사각 변화에 따른 평균 하중과 와유기 진동의 특성을 평가하였다. 또 Fig.
또 Fig. 1(a)에 도시한 라이저의 각 단면별 국부좌표계를 활용하여 방향별 유체력 계수를 구하였고 이 때 θ에 관계없이 유체 속도와 밀도 그리고 단면 위치별 투영 길이를 유체력 계수 계산에 동일하게 적용 하였다.
상기 언급된 수치해석기법을 바탕으로 Re=100에서 2차원 수치해석으로 얻어진 실린더 양⋅항력 및 스트롤 수를 선행연구 결과들과 비교하였으며 Table 1에 정리하였다.
(2007)의 모델에 유동 입사각 범위를 0°~180° 고려하여 라이저 주위 유동 및 유체력 특성을 분석하고자 한다. 특히, 굽은 형상으로 인해 라이저의 단면 위치별 유체력 계수는 달라지므로, 호의 길이 변화에 따른 단면별 유체력 계수를 평가하였다. 본 연구에서 고려되는 형상은 실제로 산업계에서 활용되는 라이저 형상이 아니며 기초 연구로 고려된 형상이다.

대상 데이터

특히, 굽은 형상으로 인해 라이저의 단면 위치별 유체력 계수는 달라지므로, 호의 길이 변화에 따른 단면별 유체력 계수를 평가하였다. 본 연구에서 고려되는 형상은 실제로 산업계에서 활용되는 라이저 형상이 아니며 기초 연구로 고려된 형상이다. 따라서 실환경에서 사용되는 라이저의 기하학 및 동역학적 상사는 고려되지 않았다.

이론/모형

여기서 C_d는 평균항력계수를, C_l은 양력계수의 제곱평균제곱근을 그리고 St는 스트롤 수를 의미한다. 수치해석에 고려된 격자생성 방법은 분할 격자기법(Trimmed mesh)을 사용하였으며 해석에 사용된 격자수는 약 2만개, 첫번째 격자 위치점은 0.001D를 고려하였다(Franke et al., 1990; Mittal, 2005; Li et al., 2009).
유동 입사각 변화(θ)에 따른 굽은 라이저 주위 유동 특성을 관찰하기 위해 순간 와동 구조를 Fig. 5에 나타내었으며 여기서 순간 와동 구조는 Jeong and Hussain(1995)이 제안한 λ2 -Criterion을 이용하였다.
그리고 굽은 라이저는 점착 조건(No-slip)을, 나머지 경계면들은 대칭 조건을 부여하였다. 이산화방법으로 시간적분 및 공간에 대해 2차 정확도의 이산화기법을 적용하였으며 속도압력 연성을 위해 SIMPLE(Semi-implicit method for pressurelinked equation)방법을 이용하였다. 상기 경계조건과 이산화 기법에 대한 상세한 설명은 STAR-CCM+ User guide를 통해 참고할 수 있다.

성능/효과

Table 1을 통해 확인할 수 있듯이 본 연구 결과가 선행연구에서 얻어진 양⋅항력 및 스트롤 수들과 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있다.
그리고 각 배치와 레이놀즈 수 변화에 따른 유동 특성을 분석하였다. 그 결과, 와흘림이 발생하는 볼록 배치와 달리 오목 배치의 경우 굽은 실린더 형상을 따라 발달하는 축방향 유동이 실린더 후류와 상호작용하여 와흘림 발생이 억제되는 것을 관찰하였다. 또 레이놀즈 수 Re=100와 Re=500의 결과를 비교하면, 2차원 후류가 3차원으로 천이되면서 운동량 증가와 함께 국부적인 와흘림 특성은 달라지지만 전반적인 유동의 특성은 유사한 것을 확인하였다.
그러나 입사각이 90°에서 180°로 증가하면 다시 CX ′, mean은 s/D에 의존하며 감소하는데, 특히 0≤s/D≤7 사이에서 θ=0°와 θ=45°의 결과와 비교하여 많은 감소가 생긴 것을 확인할 수 있다.
이렇게 발생된 강한 Z 방향 유동은 라이저 후류 유동에 침투하여 와흘림 발생의 억제와 함께 주 유동방향의 와류쌍을 생성시키는데 기여한다. 따라서 굽은 라이저의 경우 유동의 입사각과 라이저 형상에 의존하면서 발달하는 축방향 유동이 유체력 계수에 많은 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
그 결과, 와흘림이 발생하는 볼록 배치와 달리 오목 배치의 경우 굽은 실린더 형상을 따라 발달하는 축방향 유동이 실린더 후류와 상호작용하여 와흘림 발생이 억제되는 것을 관찰하였다. 또 레이놀즈 수 Re=100와 Re=500의 결과를 비교하면, 2차원 후류가 3차원으로 천이되면서 운동량 증가와 함께 국부적인 와흘림 특성은 달라지지만 전반적인 유동의 특성은 유사한 것을 확인하였다.
(2007)의 굽은 실린더 모델을 활용하여 Re=3900에서 볼록 배치 조건의 굽은 실린더 주위 난류유동 특성을 체계적으로 분석하였다. 여기서 난류 유동장은 직접수치모사를 통해 얻어졌으며, 굽은 실린더 하부 영역에 해당하는 경사각 45도 이하 부근에서 3차원 유동 특성이 강하게 나타나 응집된 와구조의 발생이 억제 되는 것을 관찰하였다. 최근 연구로 Jiang et al.
해석 결과를 살펴보면 유동 입사각이 0°에서 90° 증가할 때 이열 와구조의 발달이 라이저 전체에 걸쳐 관찰되지만, 90°에서 180°로 증가할 때는 반대로 라이저 주위 와흘림이 억제되는 것을 확인하였다. 이에 대응하여 단면별 유체력 계수도 달라지는 것을 확인하였으며 이러한 유동 구조 변화의 근본적인 원인은 라이저의 굽은 형상으로 인해 발달하는 축방향 유동과 후류와의 상호작용에 있다. 결과적으로 3차원 유동의 변화가 유체력 계수에 미치는 영향은 상당하므로, 기존의 2차원 유체력 계수를 적용하는 방안에 대한 개선방법을 고려할 필요가 있어 보이며 SCR과 같은 굽은 형상을 가지는 라이저의 VIV와 피로 수명을 예측하기 위해서는 이를 위한 새로운 유체력 계수의 데이터베이스 구축이 필요할 것으로 판단된다.
즉, θ=0°에서 CX ′, mean은 후류 특성에 의한 영향보다 형상 자체에 더 지배적인 영향을 받는 것을 확인할 수 있다.
해석 결과를 살펴보면 유동 입사각이 0°에서 90° 증가할 때 이열 와구조의 발달이 라이저 전체에 걸쳐 관찰되지만, 90°에서 180°로 증가할 때는 반대로 라이저 주위 와흘림이 억제되는 것을 확인하였다.

후속연구

이에 대응하여 단면별 유체력 계수도 달라지는 것을 확인하였으며 이러한 유동 구조 변화의 근본적인 원인은 라이저의 굽은 형상으로 인해 발달하는 축방향 유동과 후류와의 상호작용에 있다. 결과적으로 3차원 유동의 변화가 유체력 계수에 미치는 영향은 상당하므로, 기존의 2차원 유체력 계수를 적용하는 방안에 대한 개선방법을 고려할 필요가 있어 보이며 SCR과 같은 굽은 형상을 가지는 라이저의 VIV와 피로 수명을 예측하기 위해서는 이를 위한 새로운 유체력 계수의 데이터베이스 구축이 필요할 것으로 판단된다. 이를 위해 본 연구에서 고려한 레이놀즈 수는 100으로 실환경 조건과 차이가 있으므로 실용적인 관점에서 레이놀즈 수, 10⁴~10⁵를 고려한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
결과적으로 3차원 유동의 변화가 유체력 계수에 미치는 영향은 상당하므로, 기존의 2차원 유체력 계수를 적용하는 방안에 대한 개선방법을 고려할 필요가 있어 보이며 SCR과 같은 굽은 형상을 가지는 라이저의 VIV와 피로 수명을 예측하기 위해서는 이를 위한 새로운 유체력 계수의 데이터베이스 구축이 필요할 것으로 판단된다. 이를 위해 본 연구에서 고려한 레이놀즈 수는 100으로 실환경 조건과 차이가 있으므로 실용적인 관점에서 레이놀즈 수, 10⁴~10⁵를 고려한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	라이저란?	해양자원의 개발이 천수에서 심해까지 확대됨에 따라, 부유식 구조물과 라이저 시스템의 활용도는 매우 높아지고 있다. 여기서 라이저는 해상 시추선과 해저 유정을 연결하는 장치로써 해양시추의 핵심이 되는 시스템이며 해상 및 심해환경과 설계 조건에 따라 라이저의 종류가 바뀐다. 직선 세장체 형태를 가지는 상부장력 라이저(Top-tensioed riser)는 TLP(Tension leg platform)나 스파 플랫폼(Spar platform)과 같은 운동 응답이 매우 적은 부유체에 적용 되고 있으며, 부유체와 연결되는 라이저 상부의 피로 손상을 최소화시키기 위해 유연(Flexible) 라이저를 적용하기도 한다.
	라이저가 피로 파괴의 원인은?	라이저 설계에 있어 조류와 파랑 등의 외부 하중으로 인해 라이저가 피로 파괴 될 수 있으므로 외부 환경하중에 의한 피로 수명을 예측 하는 것은 대단히 중요하다(Park and Kim, 2017). 라이저의 피로 손상을 유발하는 원인으로 부유체의 동적거동과 함께 조류와 상호작용을 통해 발생하는 와유기 진동(VIV, Vortex induced vibration)이 있다. 와유기 진동은 뭉툭한 물체에서 발달되는 와흘림에 기인한 것인데, 일반적으로 와흘림에 관한 연구는 주로 원형 실린더를 연구 대상으로 하여 많은 연구가 이루어져왔다(Williamson, 1996).
	SCR(Steel catenary riser)과 SLWR(steel lazy wave riser)가 사용되는 이유는 무엇인가?	직선 세장체 형태를 가지는 상부장력 라이저(Top-tensioed riser)는 TLP(Tension leg platform)나 스파 플랫폼(Spar platform)과 같은 운동 응답이 매우 적은 부유체에 적용 되고 있으며, 부유체와 연결되는 라이저 상부의 피로 손상을 최소화시키기 위해 유연(Flexible) 라이저를 적용하기도 한다. 그러나 수심 1,500m 이상 조건에서 부유체의 운동응답특성이 클 경우 상기 언급된 라이저들의 적용이 어려우며 저유가의 장기화로 인한 경제성 문제 때문에 SCR(Steel catenary riser)과 SLWR(steel lazy wave riser)등이 사용되고 있다. 여기서 두 라이저는 기존 직선 세장체 형태가 아닌 굽은 형상을 지니고 있는 것이 특징이다.

참고문헌 (19)

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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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