Riser의 내부유체 흐름이 Riser 동적반응에 미치는 영향

The Effect of Internal Row on Marine Riser Dynamics

본 연구에서는 riser 내부의 유체흐름에 의해 발생하는 유체력이 심해저 riser의 동특성에 미치는 영향에 관해 조사하였다. riser의 비선형 동적해석을 위해 riser 내부의 유체흐름을 시스템에 포함하여 수학적 모델을 개발하였으며 유도된 모델에 Galerkin의 유한요소근사법과 시간증분자를 적용함으로써 수치해석을 위한 모델을 개발하였다. 또한 시스템의 자유도를 줄이고 비선형모델의 수치해를 얻기 위해 행해지는 반복계산을 줄이며 정확도를 높이기 위해 riser의 축방향 extensibility 조건을 사용 하였다. 관내부 유체 흐름으로 인한 riser의 동특성에 미치는 영향을 상부 인장력, 조류속도, 파주기 등과 같은 여러 영향요인들을 변화시키면서 조사하였다. 수치해석 결과 내부류체 흐름으로 인한 영향을 줄이기 위해서는 riser의 상부에 인장력을 riser의 허용내력 한도내에서 증가시키는 방법이 있으나 심해저로 갈수록 인장력 증가에 한계가 있기 때문에 riser 주위에 부체를 부착시키는 방법이 제시된다. 이 이외에도 riser의 해석시 대변형으로 인한 비선형성을 고려하게 되면 내부 유체흐름이 riser의 동특성에 미치는 영향을 증가시킴을 알 수 있었다.

A mathematical model for the dynamic analysis of a riser system with the inclusion of internal flow and nonlinear effects due to large structural displacements is developed to investigate the effect of internal flow on marine riser dynamics. The riser system accounts fir the nonlinear boundary conditions and includes a steady flow inside the pipe which is modeled as an extensible or inextensible. tubular beam subject to nonlinear three dimensional hydrodynamic loads such as current or wave excitation. Galerkin's finite element approximation and time incremental operator are implemented to derive the matrix equation of equilibrium for the finite element system and the extensibility or inextensibility condition is used to reduce degree of freedom of the system and the required computational time in the case of a nonlinear model. The algorithm is implemented to develop computer programs used in several numerical applications. The investigations of the effect of infernal flow on riser vibration due to current or wave loading are performed according to the change of various parameters such as top tension, internal flow velocity, current velocity, wave period, and so on. It is found that the effect of internal flow can be controlled by the increase of top tension. However, careful consideration has to be given in the design point particularly for the long riser under the harmonic loading such as waves. And it is also found that the consideration of nonlinear effects due to large structural displacements increases the effect of internal flow on riser dynamics.