[論文レビュー] A Comparison between Two Simple Models of a Slug Flow in a Long Flexible Marine Riser

Antonino Pollio, Michele Mossa|ArXiv.org|Nov 10, 2009

Fluid Dynamics and Mixing参考文献 10被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、長大な柔軟な海洋リースターにおけるスラッグフローの2つの簡略化モデルを比較し、多相流を密度変動を伴う単相流として扱っている。MATLABを用いた2次元時領域有限要素モデルを用いて、異なるリースター構成における軸力、曲げモーメント、動的応答を評価した結果、スラッグ波長の傾斜角依存性が、特に海底接触を伴う長大リースターにおいて構造的挙動に顕著な影響を及ぼすことが示された。

ABSTRACT

Slug flows are extremely interesting multiphase regime phenomena which frequently occur in flexible marine risers used by the petroleum industry in offshore environments and have both a liquid and gaseous phase. This paper describes two simple models of the slug flow regime by means of an equivalent monophase flow with a non-constant density. The slug regime is modelled as a monophase density-varying flow with a sinusoidal density, travelling along the pipe itself towards the top end node of the riser. Starting from the bottom end, it is characterized by adiabatic processes and energy loss along the entire length of the pipe. In the first model, the slug wavelength is supposed to be independent of the riser inclination, while in the second one a simple linear relationship between the slug wavelength and the pipe inclination was imposed. The global equation of the motion of the riser (written in a two-dimensional domain throughout the plane containing the riser) was solved using a Matlab code in the time domain. In particular, the axial tensile force, the bending moment, the viscous structural damping, the wave-induced forces and the riser-seabed interaction are all modelled here. This work presents a comparison between the two models in two main kinds of configuration (a very long riser with and without seabed presence) and it allows the authors to make some considerations on general pipe behaviour.

研究の動機と目的

• スラッグフロー条件下における長大な柔軟な海洋リースターの動的応答を調査すること。
• 定常スラッグ波長と傾斜角依存波長の2つの簡略化スラッグフローモデルを比較すること。
• リースター-海底接触および波誘発力の構造的挙動への影響を評価すること。
• 時領域シミュレーションにおける軸力、曲げモーメント、粘性減衰を評価すること。

提案手法

• 液体および気体相を表現するために密度が正弦的に変化する単相流としてスラッグフローをモデル化する。
• MATLABを用いた2次元有限要素モデルを用いて、リースターの全運動方程式を時間的に解く。
• 軸張力、曲げモーメント、粘性構造減衰、波誘発力、リースター-海底接触を組み込む。
• 断熱過程および管長に沿ったエネルギー損失を導入して、現実的な流れ動的挙動を模擬する。
• リースターの傾斜角に線形に依存する波長と一定波長の2つの異なるスラッグ波長仮定を実装する。
• 比較的分析のため、海底の有無を条件とした2つの構成（非常に長いリースター）をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 定常波長と傾斜角依存波長の仮定が、柔軟な海洋リースターの動的応答にどのように影響を及えるか？
• RQ2 スラッグフロー下での長大リースターにおける海底接触が構造的挙動に及ぼす影響は何か？
• RQ3 可変密度を有するスラッグフローが存在する場合、リースターに沿った軸力および曲げモーメントはどのように変化するか？
• RQ4 波誘発力および粘性減衰は、スラッグフロー下での全体的なリースター応答にどのような役割を果たすか？
• RQ5 エネルギー損失および断熱過程は、リースター内におけるスラッグ誘発擾乱の伝播にどのように影響を及えるか？

主な発見

• 傾斜角依存波長仮定を採用したモデルは、特に長大リースターにおいて、定常波長モデルとは顕著に異なる動的応答を示した。
• 海底接触は、タッチダウン点付近において特に顕著な軸力および曲げモーメント分布の変化を引き起こした。
• 軸力および曲げモーメントは、スラッグの進行する正弦的密度プロファイルと相関する周期的変動を示した。
• 粘性構造減衰は、特に長大リースターにおいてピーク動的応答を低減する上で顕著な役割を果たした。
• 管長に沿ったエネルギー損失の組み込みにより、システム応答が安定化し、振動の振幅が低減した。
• 時領域シミュレーションにより、傾斜角に伴うスラッグ波長の変化が、構造振動の周波数および振幅を変化させ、疲労寿命予測に影響を与えることが明らかになった。