[논문 리뷰] A Comparison between Two Simple Models of a Slug Flow in a Long Flexible Marine Riser

Antonino Pollio, Michele Mossa|ArXiv.org|2009. 11. 10.

Fluid Dynamics and Mixing참고 문헌 10인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 긴 유연한 해양 리저의 슬러그 유동을 단상유동으로 간주하고 밀도가 변하는 유동으로 모델링하여 두 가지 단순화된 모델을 비교한다. MATLAB를 사용한 2차원 시간영역 유한요소 모델을 통해 다양한 리저 구성 조건에서 축방향력, 굽힘모멘트 및 동적 거동을 평가하였으며, 기울기에 따른 슬러그 파장의 의존성이 특히 해저 상호작용이 있는 장거리 리저에서 구조적 거동에 크게 영향을 준다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 슬러그 유동 조건에서 장거리 유연한 해양 리저의 동적 거동을 조사하기 위해.
• 일정한 슬러그 파장과 기울기에 따라 변하는 파장을 가지는 두 가지 단순화된 슬러그 유동 모델을 비교하기 위해.
• 리저-해저 상호작용과 파도 유도력이 구조적 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 시간영역 시뮬레이션에서 축방향력, 굽힘모멘트 및 점성 구조 감쇠를 평가하기 위해.

제안 방법

• 액체 및 기체 상을 표현하기 위해 밀도가 정현파 형태로 변하는 단상유동으로 슬러그 유동을 모델링하기 위해.
• 리저의 전역 운동 방정식을 시간에 따라 풀기 위해 MATLAB에서 2차원 유한요소 모델을 사용하기 위해.
• 축방향 인장력, 굽힘모멘트, 점성 구조 감쇠, 파도 유도력 및 리저-해저 상호작용을 통합하기 위해.
• 압축 과정을 등온으로 간주하고 파이프 길이에 따라 에너지 손실을 고려하여 현실적인 유동 역학을 시뮬레이션하기 위해.
• 두 가지 다른 슬러그 파장 가정을 구현하기 위해: 일정한 파장과 리저 기울기에 선형적으로 의존하는 파장.
• 비교 분석을 위해 해저 존재 유무에 따라 두 가지 구성 조건을 시뮬레이션하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일정한 파장 대비 기울기에 따라 변하는 파장을 가진 가정이 장거리 유연한 해양 리저의 동적 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 슬러그 유동 하에서 장거리 리저의 구조적 거동에 대해 해저 상호작용이 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 변동하는 밀도를 가진 슬러그 유동이 존재할 경우 리저 전반에서 축방향력과 굽힘모멘트는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 파도 유도력과 점성 감쇠는 슬러그 유동 조건 하에서 전체 리저 거동에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 에너지 손실과 등온 과정은 리저 내 슬러그 유도 간섭의 전파에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기울기에 따라 변하는 파장을 가진 모델은 기울기에 따라 변하지 않는 파장을 가진 모델과 비교해 특히 장거리 리저에서 상당히 다른 동적 거동을 보인다.
• 해저 상호작용은 특히 터치다운 지점 근처에서 축방향력과 굽힘모멘트 분포에 상당한 변화를 초래한다.
• 축방향력과 굽힘모멘트는 슬러그의 이동하는 정현파 형태의 밀도 프로파일과 관련된 주기적인 변화를 보인다.
• 점성 구조 감쇠는 특히 장거리 리저에서 피크 동적 응답을 감소시키는 데 중요한 역할을 한다.
• 파이프 길이에 따른 에너지 손실을 고려함으로써 시스템 응답이 안정화되고 진동 진폭이 감소한다.
• 시간영역 시뮬레이션은 기울기에 따라 파장이 변하는 것이 진동의 주파수와 진폭을 변화시키며, 이는 피로 수명 예측에 영향을 준다는 것을 드러낸다.