1. 서 론
심해역 해양자원의 개발 추세와 함께 라이저의 적용 수심은 점점 깊어지고 있다 . 심해역에 설치되는 라이저는 높은 압력 등 열악한 환경에 노출되기 쉽다 . 카티너리 라이저 (Steel Catenary Riser, SCR) 는 상부장력 라이저 (Top Tensioned Riser, TTR) 에 비하여 더욱 큰 선박의 움직임을 허용하며 , 플렉서블 라이저 (Flexible Riser) 에 비하여 열악한 환경에 더욱 잘 견딜 수 있다 . 따라서 카티너리 라이저는 심해 자원개발에 가장 넓게 적용되고 있다 . 카티너리 라이저는 수명기간 중 해류와 파랑 등의 외부 하중에 지속적으로 노출되며 , 구조적인 안정성을 확보하기 위하여 이와 같은 외부환경에 잘 견딜 수 있도록 설계되어야 한다 . 따라서 라이저의 피로수명을 예측하는 것이 설계의 핵심 중 하나이다.
라이저가 설치된 해역에 일정한 속도 이상의 해류가 흐르는 경우, 급격한 구배 변화로 인하여 라이저 뒷면에는 규칙적인 패턴의 와류 흘림(Vortex Shedding) 현상이 발생하게 된다. 와류 흘림은 라이저에 주기적으로 하중을 발생시키며, 라이저의 움직임과 상호작용에 의하여 와류유기 진동(Vortex-Induced Vibration, VIV)을 발생시킨다. 특히, 와류 흘림 주파수가 라이저의 고유진동수(Natural Frequency)와 가까워지면 라이저는 와류 흘림과 동조화되어 대변위 진동이 발생하게 된다. 이를 Lock-in 현상이라고 하며, 이 때 라이저는 큰 구조 응력에 의하여 피로손상이 발생한다(
Park et al., 2004).
본 연구에서는 모드중첩법에 기반한 수치모델을 제시하여 카티너리 라이저의 와류유기 진동 수치해석기법을 정리한다. 카티너리 라이저는 양단이 단순지지된 유연한 케이블로 모델링되며, 입력과 출력 파워의 평형을 이용하여 진동 응답 및 피로수명을 계산한다.
2. 수치 이론
여기서, m(s)는 접수에 의한 부가질량을 포함한 단위 길이당 질량, R(s)는 단위 길이당 감쇠, T(s)는 유효장력, P(s,t)는 라이저에 작용하는 외력이며, s와 t는 각각 위치좌표와 시간을 나타낸다. 외력은 와류흘림에 의해 주기적으로 작용하므로 P(s,t)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, ρf는 유체 밀도, D는 라이저 지름, V(s)는 해류 속도, 은CL(s;ωr) r번째 고유모드에 대한 양력계수이다.
Yr(s)와 qr(s)를 각각 r번째 고유모드와 모드좌표계라고 정의하면, 라이저의 변위 응답을 다음과 같이 각 모달 변위의 중첩으로 나타낼 수 있다.
식 (3)을 식 (1)에 넣고 정리하면, 다음과 같은 모드좌표계에서의 운동방정식을 얻을 수 있다.
여기서, Mr, Rr, Kr, Pr(t)는 각각 r번째 모달 질량, 모달 감쇠, 모달 강성 및 모달 힘이며, 식 (5)에서 식 (8)과 같다.
여기서, double prime(′′)은 2계 미분을 나타낸다.
입력 파워는 외력과 속도의 곱으로 나타낼 수 있으며, r번째 모드의 입력 파워는 다음과 같다.
여기서,
Ar은
r번째 모드변위의 진폭(Mode Displacement Amplitude)이며,
Φ(
s)는 외력의 가진 범위와 기여도를 나타내는 함수이다(
Kim, 2013). 본 연구에서는 파워입력이 중복되는 경우, 중복되는 모드의 파워 크기에 비례하여 기여도를 결정하였다.
또한, 출력 파워는 감쇠력과 속도의 곱으로 나타낼 수 있으며, r번째 모드의 출력 파워는 다음과 같다.
r번째 모드의 한 주기 동안의 시간 평균 입력파워 및 출력파워는 각각 식 (11) 및 식 (12)와 같다.
각각의 모드에 대하여 입력 파워와 출력 파워는 평형을 이루므로, 다음을 얻을 수 있다.
Ar/D의 초기값을 가정하면 감쇠 R(s)와 양력 계수 CL(s;ωr)을 구할 수 있으며, 이를 이용하여 다시 Ar/D를 구할 수 있다. 이를 반복적으로 계산하여 연속적인 Ar/D의 값의 차이가 일정한 값 이하이면 수렴한 것으로 판단한다.
단위 길이당 감쇠
R(
s)는 구조감쇠
Rs와 유체동역학적 감쇠
Rh(
s)로 구성되며, 본 연구에서 구조감쇠는 0.003으로 가정한다. 그리고 유체동역학적 감쇠는 감소속도(Reduced Velocity)를 기준으로 두 개의 다른 모델로 나타난다(
Vikestad et al., 2000). 저속 (Low Reduced Velocity) 범위인 파워 입력 구간에서
Rh(
s)는 식 (14)와 같고, 고속(High Reduced Velocity) 범위인 파워 출력 구간에서
Rh(
s)는 식 (15)와 같다.
여기서, Csw, Crl, Crh는 각각 정수 (Still Water), 저속 및 고속에서의 경험계수이며, 각각 0.20, 0.18, 0.20이 적용되었다. 또한, Re 는 레이놀즈 수(Reynolds Number)이며, 다음과 같이 나타낸다.
여기서, v는 유체점성(Fluid Viscosity)이다.
라이저의 양력 계수
CL은 무차원 응답 진폭
A/
D의 함수로 표현할 수 있다(
Vandiver and Li, 2005).
CL은
Fig. 1과 같이 세 점을 연결하는 두 개의 포물선의 조합으로 구성되며, 양력계수의 최소값
CL,floor가 정의된다. 본 연구에서는
Table 1에 정리된 값을 이용하여 양력계수를 추정하였다.
Fig. 1
Lift coefficient model
Table 1
단순지지(pinned-pineed) 조건에서 식 (4)를 이용하여 식 (17) 및 식 (18)과 같이 라이저의 고유진동수 ωr과 고유모드 Yr(s)를 구할 수 있다.
여기서, n과 r은 고유모드이며, E는 탄성계수(Young’s Modulus), Ds는 강력 지름 (Strength Diameter)이다. 모달 힘 Pnr과 주파수 응답 함수 Hnr은 각각 식 (20) 및 식 (21)과 같다.
여기서, sgn[( )]는 다음과 같은 부호 함수이다.
또한, 감쇠비 ζn은 구조 감쇠비 ζn,s (=0.003)와 유체동역학적 감쇠비 ζn,h로 구성되며, 유체동역학적 감쇠비 ζn,h는 다음과 같다.
가진 주파수 ωr에 대한 와류유기 피로손상은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Γ( )는 식 (25)에 의해 정의되는 감마(Gamma)함수이다. 또한 b와 c는 식 (26)에 의해 정의되는 S-N(응력-반복횟수) 곡선의 계수이며, Sr,rms는 식 (27)과 같다.
여기서,
S는 응력,
N은 반복의 수이며,
SCF는 Stress Concentration Factor로 1.2를 적용하였다(
GAO et al., 2011).
이를 정리하면, 라이저의 와류유기 진동해석 기법에 대한 흐름도는
Fig. 2와 같다.
Fig. 2
Road map of riser VIV analysis