[論文レビュー] Optimal design of two-dimensional riser fairings for vortex-induced vibration suppression based on genetic algorithm

Mengyue Chen, Xiuquan Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Fluid Dynamics and Vibration Analysis参考文献 45被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、低レイノルズ数における渦励振動（VIV）を抑えるために、2次元リサーの形状最適化を遺伝的アルゴリズムを用いて行う。ベジエ曲線を用いてフェアリング断面をパrameter化し、揚力係数の最小化を目的関数として設定することで、最適な水滴型フェアリングが2-DOF条件下でVIV振幅を最大99％まで低減し、抗力も51％低減した。一方、尾びれに類似した形状は3-DOFの流れ環境下でも安定性を確保した。

ABSTRACT

Vortex-induced vibration (VIV) manifests its destructiveness on marine risers in deep-water oil and gas development. Many types of riser fairings are employed in the practical applications of ocean engineering due to their effectiveness in suppressing VIV. However, few reports have been found on the optimal design of the fairing profile. In this study, we conduct shape optimization by integrating computational fluid dynamics and genetic algorithm at a low Reynolds number. The fairing profile is parameterized by Bézier curves with control points adopted as design variables, and lift coefficient is selected as the objective function to obtain optimal fairing. The optimal solution shows that the water-drop-shaped fairing presents a high performance in the condition of two degrees of freedom (DOFs), whereas the caudal fin-like-shaped fairing has good stability in 3-DOF condition. Optimization results indicate that the water-drop-shaped fairing suppresses amplitude up to 99% and reduces drag coefficient by almost 51% at Ur=5.0 for the 2-DOF condition. For the 3-DOF condition, the formation of two symmetric vorticities with opposite directions generated at the bilateral of the optimal fairing leads to fairing stability in flow.

研究の動機と目的

• 海洋工学分野におけるリサーのフェアリングの体系的最適設計手法の不足に応えること。
• 深海リサーにおける渦励振動（VIV）を抑えること。VIVは構造的疲労や破壊を引き起こす可能性がある。
• 計算流体力学（CFD）と遺伝的アルゴリズムを統合したフェアリング断面形状設計のための形状最適化フレームワークを開発すること。
• さまざまな自由度（DOFs）の下で揚力係数を最小化し、安定性を向上させる最適なフェアリング形状を特定すること。

提案手法

• 制御点を設計変数として用いて、ベジエ曲線によるフェアリング断面のパrameter化を行った。
• 流体-構造相互作用をシミュレートし、揚力係数を計算するために計算流体力学（CFD）を用いた。
• 非優先順位ソーティング遺伝的アルゴリズム（NSGA-II）を適用し、最適なフェアリング形状を探索した。
• 2自由度（2-DOF）および3自由度（3-DOF）の運動状態の2条件について最適化を実施した。
• 渦励振動力の低減を目的として、揚力係数を主な目的関数とした。
• 制御された流れ条件の下で性能を評価するため、低レイノルズ数（Ur = 5.0）でシミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2-DOF運動下での海洋リサーに作用する渦励振動揚力の低減を図るフェアリング断面形状は何か？
• RQ2 3-DOF運動下では、2-DOF状態と比較して最適フェアリング形状の安定性と性能はどのように異なるか？
• RQ3 ベジエ曲線を用いたパrameter化は、VIV低減のためのフェアリング断面形状の表現と最適化に有効に機能するか？
• RQ4 3-DOF条件下で安定したフェアリング性能を示す流れ構造（例：渦）は何か？
• RQ5 遺伝的アルゴリズムを用いた最適化によって、VIV振幅および抗力係数はどの程度低減できるか？

主な発見

• 水滴型フェアリングは、Ur = 5.0の2-DOF条件下で、渦励振動振幅を最大99％まで低減した。
• 最適な水滴型フェアリングでは、2-DOF配置下で抗力係数が約51％低減した。
• 3-DOF条件下では、最適な尾びれに類似したフェアリングが、両側に形成された対称的な反時計回りの渦によって安定性が向上した。
• 3-DOF最適フェアリングが生成する対称的渦構造により、バランスの取れた揚力が発生し、動的応答が低減した。
• 遺伝的アルゴリズムは、振幅低減および抗力低減の両面で従来形状を上回る優れたフェアリング形状を効果的に同定した。
• CFDと遺伝的アルゴリズムの統合により、フェアリング最適化のための複雑な設計空間の効率的探索が可能になった。