파랑 중 원통형 세장체 운동에 대한 이론 및 실험적 연구

Abstract

원통형 세장체 구조물은 현존하는 수많은 해양구조물을 이루는 매우 중요한 요소 중 하나로 라이져 (risers), 케이블 (cables), 송전선 (umbilical’s) 및 전력공급선(wires)과 같이 다양한 해양시스템에서 각각 중요한 용도로 널리 분포되어있다. 파랑과 조류가 가지는 유체의 힘이 진동과 복원력을 발생시키며 이들 세장체 구조물에게 직접적인 영향을 준다. 이 때 구조물이 받는 힘은 유체의 속성과 유동의 상태 그리고 세장체의 기하하적 형태와 규격에 의해 정해진다. 지속적인 유동이 정지 상태에 이르러도 유체의 운동이 세장체 구조물을 움직이며 계속적으로 복원력의 영향을 받게 된다. 유체 진동과 복원력은 복잡한 비선형적 유체현상으로 심해역 환경의 세장체 구조물 설계에 있어 여러 가지의 도전과제를 야기하며 플랫폼과 유정을 잇는 극히 긴 라이져에 (Riser) 기인하는 몇 가지 문제점을 그 예로 들 수 있다. 본 논문에서는 수심이 깊어질수록 세장체 구조물은 더욱 가늘어지고 유연해짐에 따라 세장체 구조물이 가지는 두 가지 문제점에 관한 연구를 수록하였으며 1) 세장체 구조물의 운동과 해양의 복잡한 유체의 흐름 간의 상호작용 및 2) 유체의 흐름에 놓인 원통형 세장체 구조물 주위에서 발생하는 변동와류로 인한 진동에 (VIV, Vortex Induced Vibration) 관한 연구를 논하고자 한다. VIV를 통하여 레이놀즈수의 범위 내에서 발생하는 유체와 세장체 구조물의 진동을 관찰할 수 있으며 유체가 세장체 구조물을 통과할 때 생기는 주기적인 와류는 양력에 인한 진동을 유발한다. 따라서 유체와 세장체 구조물간의 공진을 피하기 위해 유체의 복원력과 세장체 구조물이 가지는 고유주기를 달리 해야 한다. 본 논문에서는 복잡한 유체의 흐름으로 인한 원통형 세장체 구조물의 운동을 이론과 2차원 조파수조를 이용한 모형실험을 통해 기술하였다.