강제가진 실험조건에서 세장체 파이프의 거동 특성 분석 연구

Abstract

본 연구에서는 강제가진을 받는 파이프의 거동 특성을 분석한다. 해양라이저는 부유식 해양구조물에 연결되어 매달려 있으며, 부유식구조물의 거동에 의하여 라이저 상부 끝단에서 가진을 받게 된다. 해양환경에서 라이저의 거동 특성에 큰 영향을 미치는 요소 중의 하나가, 상부구조물에 의한 가진 효과이다. 따라서, 라이저의 상부 끝단이 일정 주기와 진폭으로 가진 되는 경우, 라이저의 거동 특성이 어떻게 나타나는가를 살펴보기 위하여 모형실험을 수행한다. 라이저의 다양한 설치 모드 중에서 자유롭게 매달린 상태를 고려하였으며, 상부 끝단에서 일정주기와 진폭으로 가진되는 경우를 고려하였다. 모형실험은 선박해양플랜트연구소 해양공학수조 내 수심 2m의 준비수조에서 수행되어졌으며, 길이 2m, 외경 13.5mm, 두께 0.5mm의 PVC 파이프를 강제가진기에 매달아서 설치하였다. 상부끝단은 고정, 하부끝단은 자유 경계조건으로 설정하여 자유롭게 매달린 라이저를 모사하였다. 가진 주기는 총 5가지 조건, 진폭은 2가진 조건에 대하여 실험 조건을 설정하였다. 따라서, 다양한 KC(Keulegan-Capenter) 수 조건에서 실험되도록 설정하였다. 파이프의 거동은 Qualisys사의 수중카메라를 이용하여 시간이력으로 연속 측정하였다. 강제가진에 의하여 라이저의 거동을 측정하기 위하여 IL(Inline) 방향, 강제가진에 의하여 발생하는 VIV(Vortex-Induced Vibration)을 측정하는 CF(Cross-Flow) 방향 변위를 각각 측정하였다. IL, CF 각각 방향에 대하여 각 절점에서 시간이력으로 변위를 측정하였는데, 대부분의 경우에 IL 방향은 가진주파수, CF 방향은 두 개 이상의 주파수로 거동하는 것으로 분석되었다. 특히, CF 방향 변위에서 가진 주