[논문 리뷰] Optimal design of two-dimensional riser fairings for vortex-induced vibration suppression based on genetic algorithm

Mengyue Chen, Xiuquan Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 11.

Fluid Dynamics and Vibration Analysis참고 문헌 45인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 저레이놀즈 수 조건에서 소용리진동(VIV)을 억제하기 위해 유전자 알고리즘 기반의 2차원 리저 페어링 형상 최적화를 제안한다. Bézier 곡선을 사용해 페어링 프로파일을 매개변수화하고, 양력 계수를 최소화하는 목표로 설정함으로써, 최적의 물방울 모양의 페어링은 2-DOF 조건에서 VIV 진폭을 최대 99% 감소시키고, 항력은 51% 감소시켰다. 또한 3-DOF 유동 환경에서는 꼬리지느러미 유사 형상이 안정성을 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 해양공학 분야에서 리저 페어링에 대한 체계적인 최적 설계 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 심해 리저에서 발생하는 소용리진동(VIV)을 억제하여 구조적 피로 및 고장의 원인을 방지하기 위해.
• 유체역학적 시뮬레이션(CFD)과 유전자 알고리즘을 통합한 페어링 프로파일 설계를 위한 형상 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다양한 자유도(DOFs) 조건에서 양력 계수를 최소화하고 안정성을 향상시키는 최적의 페어링 기하구조를 규명하기 위해.

제안 방법

• 제어점을 설계 변수로 사용하여 Bézier 곡선을 활용해 페어링 프로파일을 매개변수화하였다.
• 유체-구조 상호작용를 시뮬레이션하고 양력 계수를 산출하기 위해 유체역학적 시뮬레이션(CFD)을 적용하였다.
• 비지배적 정렬 유전자 알고리즘(NSGA-II)을 사용하여 최적의 페어링 형상을 탐색하였다.
• 운동 자유도가 두 가지인 2-DOF 및 세 가지인 3-DOF 조건을 고려하여 최적화를 수행하였다.
• 소용리진동력의 최소화를 위해 양력 계수를 주요 목적 함수로 설정하였다.
• 통제된 유동 조건을 평가하기 위해 저레이놀즈 수(Ur = 5.0)에서 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2-DOF 운동 조건에서 해양 리저에 작용하는 소용리진동 양력에 가장 적합한 페어링 형상 기하구조는 무엇인가?
• RQ2 3-DOF 운동 조건에서 2-DOF 조건에 비해 최적의 페어링 형상은 안정성과 성능 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ3 Bézier 곡선 기반의 매개변수화 방식은 VIV 억제를 위한 페어링 프로파일의 효과적인 표현과 최적화에 적합한가?
• RQ4 3-DOF 조건에서 안정적인 페어링 성능을 보장하는 유동 구조(예: 소용리)는 무엇인가?
• RQ5 유전자 알고리즘 기반 최적화로 VIV 진폭과 항력 계수는 어느 정도 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 2-DOF 조건에서 Ur = 5.0 조건에서 물방울 모양의 페어링이 소용리진동 진폭을 최대 99% 감소시켰다.
• 2-DOF 구성에서 최적의 물방울 모양 페어링은 항력 계수를 약 51% 감소시켰다.
• 3-DOF 조건에서는 최적의 꼬리지느러미 유사 페어링이 양쪽에 대칭적인 반향회전 소용리가 형성되면서 안정성이 향상되었다.
• 3-DOF 최적 페어링이 생성한 대칭 소용리 구조는 균형 잡힌 양력과 낮은 동적 반응을 유도하였다.
• 유전자 알고리즘이 기존 형상보다 우수한 진폭 억제 및 항력 감소 성능을 보이는 향상된 페어링 기하구조를 성공적으로 규명하였다.
• CFD와 유전자 알고리즘의 통합은 복잡한 설계 공간의 효율적 탐색을 가능하게 하여 페어링 최적화에 기여하였다.