The development of marine technology is expected to increase the demand for marine plants because of increasing oil prices. Therefore, there is also expected to be an increase in the demand for cylindrical structures such as URF (umbilical, riser, flowline) structures and spars, which are used opera...
The development of marine technology is expected to increase the demand for marine plants because of increasing oil prices. Therefore, there is also expected to be an increase in the demand for cylindrical structures such as URF (umbilical, riser, flowline) structures and spars, which are used operating in various seas. However, a cylindrical structure experiences vortex induced motion (VIM) in a current. In particular, for risers and umbilicals, it is important to identify the characteristics of the VIM because interference between structures can occur. In addition, various studies have been conducted to reduce VIM because it is the cause of fatigue damage to structures. The helical strake, which was developed for VIM reduction, has an excellent VIM reduction performance, but is difficult to install on structures and has a negative effect on heave motion. Therefore, the purpose of this study was to supplement the shortcomings of the helical strake and develop a high-performance reduction device. In the reduction device developed in this study, a string is placed around the structure inside the flow, causing vibration. The vibration of this string causes a small turbulence in the flow field, reducing the VIM effect on the structure. Finally, in this study, the 2-DOF motion characteristics of models without a suppression device, models with a helical strake, and models with a string were investigated, and their reduction performances were compared through model tests.
The development of marine technology is expected to increase the demand for marine plants because of increasing oil prices. Therefore, there is also expected to be an increase in the demand for cylindrical structures such as URF (umbilical, riser, flowline) structures and spars, which are used operating in various seas. However, a cylindrical structure experiences vortex induced motion (VIM) in a current. In particular, for risers and umbilicals, it is important to identify the characteristics of the VIM because interference between structures can occur. In addition, various studies have been conducted to reduce VIM because it is the cause of fatigue damage to structures. The helical strake, which was developed for VIM reduction, has an excellent VIM reduction performance, but is difficult to install on structures and has a negative effect on heave motion. Therefore, the purpose of this study was to supplement the shortcomings of the helical strake and develop a high-performance reduction device. In the reduction device developed in this study, a string is placed around the structure inside the flow, causing vibration. The vibration of this string causes a small turbulence in the flow field, reducing the VIM effect on the structure. Finally, in this study, the 2-DOF motion characteristics of models without a suppression device, models with a helical strake, and models with a string were investigated, and their reduction performances were compared through model tests.
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문제 정의
본 연구에서는 String이 조류환경 속에서 만들어내는 떨림이 유동장의 변화를 주는 메커니즘을 활용하여 VIM 저감을 위한 연구를 수행하였다. 이와 유사한 사전연구로 Silva-Ortega and Assi(2017)는 원형실린더 주변에 직경이 작은 8개의 회전이 가능한 실린더를 배치하여 유동장에 변화를 주는 연구가 진행되었으며, 원형실린더에 작용하는 항력과 양력을 측정하였다.
본 논문에서는 모형 실험을 통한 원형 실린더 형상 구조물에 작용하는 VIM 응답의 저감에 관한 연구를 진행하였다. 모형 실험모델은 Bare, Strake, String, Radiation로 선정하였고, 동일한 실험 조건에서 VIM 응답의 Average amplitude, Response, Distributiontable을 활용하여 실험 결과를 나타내었고 최종적으로 아래와 같은 결론을 얻을 수 있다.
제안 방법
(2018)은 String을 저감장치로 사용하여 String의 떨림을 이용한 항력과 수평력의 저감성능에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 앞서 연구경향과 방법들을 종합하여 본 연구는 2-DOF 환경에서 실험을 통해서 진행하였으며, 원형실린더가 조류 중 움직임으로 인한 비선형적인 특성을 파악하기 위해 VIM 응답의 변위에 초점을 두었다. 그리고 실험에 사용된 모델은 크게 네 종류로 저감장치를 부착하지 않은 Bare hull 모델, Helical strake를 부착한 모델, Two string을 부착한 모델과 방사형으로 String이 설치된 모델로 정하였다.
앞서 연구경향과 방법들을 종합하여 본 연구는 2-DOF 환경에서 실험을 통해서 진행하였으며, 원형실린더가 조류 중 움직임으로 인한 비선형적인 특성을 파악하기 위해 VIM 응답의 변위에 초점을 두었다. 그리고 실험에 사용된 모델은 크게 네 종류로 저감장치를 부착하지 않은 Bare hull 모델, Helical strake를 부착한 모델, Two string을 부착한 모델과 방사형으로 String이 설치된 모델로 정하였다. 최종적으로 각 모델별 VIM 응답 특성을 파악하면서 VIM의 저감성능을 비교 및 분석하였다.
그리고 실험에 사용된 모델은 크게 네 종류로 저감장치를 부착하지 않은 Bare hull 모델, Helical strake를 부착한 모델, Two string을 부착한 모델과 방사형으로 String이 설치된 모델로 정하였다. 최종적으로 각 모델별 VIM 응답 특성을 파악하면서 VIM의 저감성능을 비교 및 분석하였다.
VIM 응답의 측정은 비접촉식 3차원 운동계측기를 사용하였으며, 이는 실험모델이 반사하는 빛을 마커로 인식하는 광학용 계측기이다. 따라서 실험모델에 빛을 반사할 수 있는 마커를 실험모델의 무게중심점에 부착하여 VIM 응답의 변위를 측정하였다.
끝으로 가장 오른쪽에 위치한 모델은 이번 연구에서 새롭게 고안한 Radiationalstring case(이하 Radiation)이며, 원둘레를 따라서 45°간격으로 총 8개의 String을 설치하였다.
본 연구에서 실험유속은 0.3m/s부터 1.2m/s까지 0.1m/s간격으로 설정하였다. 또한 모형 실험의 결과를 일반화하기 위하여 무차원 파라미터를 사용하였다.
1m/s간격으로 설정하였다. 또한 모형 실험의 결과를 일반화하기 위하여 무차원 파라미터를 사용하였다. 첫 번째 사용된 파라미터로 구조물의 고유 진동수(fn), 유속, 직경으로 표현되된다.
이때 구조물의 고유 진동수는 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다. 본 실험에서 고유 진동수는 자유 감쇠 실험을 통하여 구하였으며, 부가질량의 영향을 최소화하기 위해서 공기 중에서 실시하였다.
직립인 상태에서 원형 실린더 형상 구조물의 VIM 운동응답 특성을 파악하기 위하여 In-line 응답 방향의 용수철의 강성과Cross-flow 응답 방향의 스프링의 강성은 140[N/m]로 동일하게 설정해 주었다. 끝으로 실험 계측 시간은 실험 모델의 운동을 안정한 상태에서 계측하기 위하여 각 유속별로 300초로 하였고, 균일류를 얻기 위한 충분한 대기시간을 가졌다.
끝으로 실험 계측 시간은 실험 모델의 운동을 안정한 상태에서 계측하기 위하여 각 유속별로 300초로 하였고, 균일류를 얻기 위한 충분한 대기시간을 가졌다. 뿐만아니라 동일 유속에서 계측의 불확실성을 감소하기 위하여 Case별로 3회 반복 실험을 실시하였다.
Radiation과 Strake의 응답은 Vr이 4.45, 4.5 ≤Vr≤ 12.0, 12.0 ≤Vr ≤ 17.8 세 구간으로 나누어서 비교를 하였다.
본 논문에서는 모형 실험을 통한 원형 실린더 형상 구조물에 작용하는 VIM 응답의 저감에 관한 연구를 진행하였다. 모형 실험모델은 Bare, Strake, String, Radiation로 선정하였고, 동일한 실험 조건에서 VIM 응답의 Average amplitude, Response, Distributiontable을 활용하여 실험 결과를 나타내었고 최종적으로 아래와 같은 결론을 얻을 수 있다.
대상 데이터
1은 연구에서 사용된 실험장비들을 나타내고 있다. 먼저 실험은 한국해양대학교에 있는 회류수조(Circulating water channel, CWC)에서 실시하였다. 그리고 회류수조의 크기는 4.
첫 번째로 가장 왼쪽에 있는 실험모델은 저감장치를 부착하지 않은 Bare case(이하 Bare)이며, VIM 저감성능을 비교하기 위한 기준이 되는 구조물이다. Bare는 원형실린더 형상의 구조물이며, 길이는 0.75m로 제작되었고 직경은 벽면효과를 최소화하기 위해 0.075m이며, L/D = 10으로 설정하였다. Bare의 바로 오른쪽에 위치한 모식도는 선행기술을 대표할 수 있는 Strakecase(이하 Strake)이다.
두 번째 파라미터로 VIM 응답은 점성이 지배적인 현상이므로 관성력과 점성력의 관계를 나타내주는 무차원수인 Reynoldsnumber(Re)를 사용하였고, 식 (3)으로 나타내었다. 본 실험에서는 와류가 활발히 일어나는 아임계 영역인 22,500~90,000 범위에서 형성되었다.
이론/모형
세 번째는 진동하는 구조물의 응답의 메커니즘을 일반화하기 위하여 Strouhal number(St)를 사용하였으며, Bare에 대해서 전체적으로 약 0.2의 값을 가지고 있었다. St는 와 흘림 진동수(Fs)와 구조물의 직경, 유속의 조합으로 식 (4)과 같이 나타낼 수 있다.
성능/효과
직립인 상태에서 원형 실린더 형상 구조물의 VIM 운동응답 특성을 파악하기 위하여 In-line 응답 방향의 용수철의 강성과Cross-flow 응답 방향의 스프링의 강성은 140[N/m]로 동일하게 설정해 주었다. 끝으로 실험 계측 시간은 실험 모델의 운동을 안정한 상태에서 계측하기 위하여 각 유속별로 300초로 하였고, 균일류를 얻기 위한 충분한 대기시간을 가졌다. 뿐만아니라 동일 유속에서 계측의 불확실성을 감소하기 위하여 Case별로 3회 반복 실험을 실시하였다.
35인 구간부터 8자 운동의 경향이 사라지고, 점 운동을 하는 것을 관찰할 수 있다. 첫 번째로 Strake의 응답을 보면, Bare의 8자 운동의 경향은 나타나지 않으며 전체 유속에서 In-line 응답이 줄어듦을 관찰할 수 있다. 그리고 Cross-flow 응답의 경우, Vr ≤ 12의 범위에서는 유속별로 응답의 크기가 작음을 확인할 수 있으나, Vr ≥ 12인 구간에서 응답의 크기는 Bare와 유사한 점을 보아 저감성능을 관찰하기 어려웠다.
9에서만 작음을 알 수 있다. 끝으로 Radiation은 Vr이 4.45, 5.93에서는 약하게 8자 모양의 운동을 가지는 것으로 확인되었고, Bare에 비해 전체 유속에 걸쳐 In-line 응답과 Cross-flow 응답 크기 또한 확연하게 줄어든 모습을 확인할 수 있다.
8 세 구간으로 나누어서 비교를 하였다. 첫 번째 구간인 Vr이 4.45인 유속에서는 Strake가 Radiation보다 In-line 응답과 Cross-flow 응답이 작음을 확인할 수 있다. 그리고 두 번째 구간인 4.
9(c)에서의 Radiation은 0~10mm에서 진폭이 발생하고 있는 점으로 보아 전반적으로 Strake와 Radiation은 진폭의 범위와 빈도수를 바탕으로 저감성능을 파악할 수 있었다. 그리고 0~20mm사이의 범위를 가졌던 Strake에 비해 0~10mm 범위를 가지는 Radiation이 우수한 저감성능을 보여주고 있다고 판단된다. 뿐만아니라 Radiation의 경우, Vr이 8.
10(c)를 살펴보면 Radiation의 경우 0~25mm사이의 진폭이 발생함을 관찰할 수 있으며 In-line 응답의 경향과 마찬가지로 특정 진폭이 집중되어 발생하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 Vr이 8.9에서 Strake, String, Radiation은 Cross-flow 응답 감소에 긍정적인 영향을 끼쳤으며, String보다 Strake와 Radiation이 저감성능이 우수하다는 것을 알 수 있다.
(1) 저감장치를 부착한 모델에서도 특정 유속에서 8자 운동이 관찰되었으나 Bare보다 운동 응답의 크기가 작음을 확인할 수있다. 2861 6411
(2) 진폭의 도수분포표를 바탕으로 Radiation의 VIM 응답은특정 진폭에서 높은 집중도를 보이고 있다. 이는 원형 실린더 형상 구조물을 설계시, 원형실린더 형상 구조물의 간섭에 관련하여 중요한 요인으로 고려될 수 있을 것이라 판단된다.
(3) Strake 모델은 Vr가 4.45과 5.93인 구간에서는 응답의 크기가 작음을 볼 수 있었다. 그러나 Vr이 7.
(4) Strake는 곡가공 공정과 부착 시 용접 기술이 필요하지만, Radiation의 경우 String을 상하단부에 고정하기 위한 Winch 혹은 고정장치만 필요하다는 점에서 Strake 단점을 보완함과 동시에 우수한 VIM 저감성능을 가진 기술이라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
VIM으로 인해 원형 실린더 형상 구조물에 발생하는 방향 응답은?
발생한 와 흘림 현상은 원형실린더 형상 구조물에 주기적인 하중을 발생시키며, 구조물의 움직임과 상호작용에 의해 와 유기 운동(Vortex induced motion, VIM)을 유발하는 원인이 된다. VIM으로 인해 원형실린더 형상 구조물은 흐름에 평행한 방향 응답(In-line response)과 흐름에 직각인 방향 응답(Cross-flow response)이 발생하게 된다. 이러한 VIM 응답은 비선형적인 운동특성을 가지며, Vortex는 원형실린더 형상 구조물에 반복적인 하중을 유발하여 구조적 피로손상을 발생시킨다.
원형실린더 형상 구조물의 설계시 VIM 응답을 고려해야하는 이유는?
VIM으로 인해 원형실린더 형상 구조물은 흐름에 평행한 방향 응답(In-line response)과 흐름에 직각인 방향 응답(Cross-flow response)이 발생하게 된다. 이러한 VIM 응답은 비선형적인 운동특성을 가지며, Vortex는 원형실린더 형상 구조물에 반복적인 하중을 유발하여 구조적 피로손상을 발생시킨다. 뿐만 아니라 원형실린더 형상 구조물의 와 흘림 진동수(Vortexshedding frequency, fs )와 고유진동수(Natural frequency, fn )의 비가 1에 가까워지면 VIM 응답이 점점 커지게 되고, 두 진동수의 비가 1이 되면 공진현상의 일종인 Lock-in현상이 발생한다. 이러한 이유로 VIM 응답은 원형실린더 형상 구조물의 설계 시 고려해야할 중요한 인자이다.
Lock-in현상이란 무엇인가?
이러한 VIM 응답은 비선형적인 운동특성을 가지며, Vortex는 원형실린더 형상 구조물에 반복적인 하중을 유발하여 구조적 피로손상을 발생시킨다. 뿐만 아니라 원형실린더 형상 구조물의 와 흘림 진동수(Vortexshedding frequency, fs )와 고유진동수(Natural frequency, fn )의 비가 1에 가까워지면 VIM 응답이 점점 커지게 되고, 두 진동수의 비가 1이 되면 공진현상의 일종인 Lock-in현상이 발생한다. 이러한 이유로 VIM 응답은 원형실린더 형상 구조물의 설계 시 고려해야할 중요한 인자이다.
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