KR20240031615A - 해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물 및 제조방법 - Google Patents

해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물 및 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물에 설치되는 원통 어레이 구조물의 제조방법은, 원통 구조체에 대한 기본 배치 설계를 수행하는 단계; 유체 해석에 기초하여 상기 원통 구조체를 가로지르는 유체의 유동 중 하류측에 배치되는 원통 구조체를 특정하는 단계; 하류측 원통 구조체에 대해 와류 저감을 위한 속성 변경 설계를 수행하는 단계; 및 상기 기본 배치 설계 및 상기 속성 변경 설계에 기초하여 원통 어레이 구조물을 제작하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물 및 제조방법{Cylindrical array structure designed to reduce vortex for offshore structure and manufacturing method}
본 발명은 해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물 및 제조방법에 관한 것이다.
선박 등의 해양구조물에는 열교환기와 같은 다양한 구조물이 설치된다. 열교환기의 경우 길고 가는 튜브 혹은 실린더와 같은 원통 구조체가 다수개가 배열된 어레이 형태의 구조물일 수 있다.
원통 어레이 구조물의 튜브 혹은 실린더를 가로지르는 유동은 구조물 뒤에서 와류를 발생시킨다. 이 와류는 구조물에서 떨어져 나가게 되면서 유동의 방향과 유동 방향에 수직인 방향으로 힘을 발생하게 된다. 와류의 발생빈도가 길고 가는 구조물의 고유진동수와 일치하게 되면 심한 진동이 발생하게 되어 구조물이 파손되게 할 수 있다.
한국공개특허 제10-2015-0109130호 (2015.10.01. 공개) - 열교환기 및 그 제조방법
본 발명은 원통 구조체의 설치 위치에 따라 재질을 다르게 하거나 봉 타입으로 전환하여 고유진동수를 변경시킴으로써 와류에 의한 록인(lock-in) 현상 발생을 방지할 수 있는 해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해양구조물에 설치되는 원통 어레이 구조물의 제조방법으로서, 원통 구조체에 대한 기본 배치 설계를 수행하는 단계; 유체 해석에 기초하여 상기 원통 구조체를 가로지르는 유체의 유동 중 하류측에 배치되는 원통 구조체를 특정하는 단계; 하류측 원통 구조체에 대해 와류 저감을 위한 속성 변경 설계를 수행하는 단계; 및 상기 기본 배치 설계 및 상기 속성 변경 설계에 기초하여 원통 어레이 구조물을 제작하는 단계를 포함하는 해양구조물용 원통 어레이 구조물 제조방법이 제공된다.
상기 원통 어레이 구조물은 열교환기이고, 상기 원통 구조체는 튜브일 수 있다.
상기 기본 배치 설계 단계에서 상기 원통 구조체의 직경(D)에 상응하여 와류 발생을 억제하는 1.2D 이하의 배치 간격을 가지게 할 수 있다.
상기 속성 변경 설계 단계에서 상기 하류측 원통 구조체에 대해 상기 원통 구조체보다 높은 강성의 재질을 적용하거나 속이 채워진 봉 타입을 적용하거나 상기 원통 구조체보다 큰 직경을 가지게 수정 설계할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 해양구조물용 원통 어레이 구조물 제조방법에 의해 제조된 해양구조물용 원통 어레이 구조물이 제공된다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 원통 구조체의 설치 위치에 따라 재질을 다르게 하거나 봉 타입으로 전환하여 고유진동수를 변경시킴으로써 와류에 의한 록인(lock-in) 현상 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 해양구조물에 이용되는 열교환기를 나타낸 도면,
도 2는 열교환기 내부에서 발생되는 와류를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물 제조방법의 순서도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물의 단면도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 해양구조물에 이용되는 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 해양구조물에서 선적된 화물의 냉각 또는 가열을 위해 해수와 같은 유체를 이용한 열교환기(100)가 도시되어 있다.
열교환기(100)는 하우징(110), 튜브(120), 튜브 시트(130)를 포함할 수 있다.
하우징(110)에는 제1 유체(F1)가 출입하는 제1 유입구(111) 및 제1 배출구(112), 제1 유체(F1)와 열교환하는 제2 유체(F2)가 출입하는 제2 유입구(116) 및 제2 배출구(117)가 형성된다.
튜브(120)는 하우징(110)의 내부에 양단이 제1 유입구(111) 및 제1 배출구(112)와 각각 연통되도록 설치된다. 따라서, 제1 유입구(111)를 통해 하우징(110) 내부로 유입된 유체는 튜브(120)를 통과하여 제1 배출구(112)로 배출될 수 있다.
여기서, 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 서로 혼합되지 않도록 제1 유체(F1)가 유동하는 공간과 제2 유체(F2)가 유동하는 공간이 튜브 시트(130)에 의해 따로 구획될 수 있다. 튜브 시트(130)는 하우징(110) 내부에 구비되어 튜브(120)를 하우징(110) 내에 고정시킨다.
튜브 시트(130)는 적어도 튜브(120)의 양측에 배치될 수 있다. 튜브(120)의 양측에 배치된 튜브 시트(130) 사이의 공간으로 제2 유체(F2)가 유동하고, 튜브 시트(130)에 의해 구획된 하우징(110)의 양측의 공간 및 튜브(120)의 내부로 제1 유체(F1)가 유동할 수 있다.
튜브 시트(130)에는 제1 유입구(111) 및 제2 배출구(117)와 튜브(120)가 연통될 수 있도록 튜브(120)의 개수와 동일한 개수의 연통홀이 형성되고, 연통홀의 주변부에 튜브(120)가 결합될 수 있다.
튜브(120)는 튜브 시트(130)에 용접에 의해 고정될 수 있다.
도 2는 열교환기 내부에서 발생되는 와류를 나타낸 도면이다.
열교환기(100)에서는 하우징(110) 내부에 제1 유체(F1)와 열교환하는 제2 유체(F2)가 유입되어 배출되는 과정에서 원통 구조체인 튜브(120) 사이를 유동하게 된다. 이러한 제2 유체(F2)의 유동에 의해 와류가 발생하게 된다.
튜브(120)를 중심으로 볼 때, 튜브(120)를 가로지르는 유동은 튜브(120) 뒤에서 와류를 발생시킨다. 이 와류는 튜브(120)에서 떨어져 나가면서(박리) 유동의 방향(In-line periodic forces)과 유동 방향에 수직인 방향(Transverse periodic forces)으로 힘을 발생시킨다. 각 와류의 발생빈도가 도 2에 도시되어 있다.
이러한 와류의 발생빈도가 튜브(120)의 고유진동수와 일치하게 되면 락인(lock-in) 현상에 의해 심한 진동이 발생하게 되어 튜브(120)를 파손에 이르게 할 수 있다.
일반적으로 와류는 난류 유동에서 덜 일어나는데, 난류 유동의 경우 구조물 뒤에서 발생하는 후류(wake) 영역이 작다. 이는 난류 유동에서는 와류의 박리가
하지만, 일반적으로 와류는 난류 유동에서는 덜 일어나는데, 난류 유동의 경우 구조물 뒤에서 발생하는 후류(wake)의 영역이 작다. 이는 난류 유동에서는 와류의 박리가 층류 유동에 비해 훨씬 뒤쪽에서 발생하기 때문이다. 본 실시예에서는 이러한 특성을 이용하여 와류 현상으로 인한 파손을 줄이고자 한다.
도 2에 도시된 것과 같이 튜브(120)와 같은 구조물 뒷편에 와류가 충분히 성장하는 위치는 1.2D(구조물 직경) 지점이 된다. 이처럼 와류 성장 예상 지점에 다른 구조물이 있을 경우 와류가 성장하지 못하게 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물 제조방법의 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물(대표적으로 열교환기)에서는 전술한 와류의 특성을 이용하여 와류에 의한 영향을 최소화하고자 한다.
본 실시예에 따른 해양구조물용 와류 저감 설계된 원통 어레이 구조물 제조방법은 컴퓨팅 장치(예를 들어, 해양구조물 설계 장치)의 제어부에 의해 소프트웨어적으로 수행될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제어부는 열교환기(100)에 구비되는 튜브(120)와 같은 원통 구조체에 대해 기본 배치 설계를 수행한다(단계 S200).
기본 배치로는 격자형 배열이나 삼각형 배열이 적용될 수 있다. 튜브 사이의 간격을 와류가 성장하지 못하도록 1.2D 이하로 배열함으로써, 와류 성장 예상 지점에 다른 원통 구조체가 배치되어 와류 성장을 방해할 수 있게 된다.
다만, 이와 같이 배열할 경우 유체가 유입되는 부분과 배열의 중간 부위에서는 와류 성장이 억제되지만, 유체가 배출되는 부분의 튜브에서는 단독 설치된 경우에 비해 와류가 더 크게 생성될 수 있다. 이런 이유로 배출되는 부분의 튜브에서 와류가 발생하고, 발생되는 와류의 힘이 커서 파손이 발생하기 쉽다.
따라서, 기본 배치 설계 이후 제어부는 하류측에 배치되는 원통 구조체를 특정한다(단계 S205). 하류측에 배치되는 원통 구조체는 열교환기의 설계 모델에 대해 유체 해석을 수행하여 유체(특히, 제2 유체)의 유동을 분석하고, 튜브 사이의 유체가 제2 배출구(117)를 향해 빠져나가는 때의 최종적으로 유체가 분리되는 튜브일 수 있다.
하류측 원통 구조체에는 제2 배출구(117)에 근접한 튜브(120a)가 포함될 수 있다. 또한, 튜브 집합체에서 최외곽을 둘러싸고 있는 튜브(120b)도 포함될 수 있다.
도 4를 참조하면, 도트 해칭된 튜브들(120a, 120b, 120c)이 하류측 원통 구조체로 특정될 수 있다.
하류측 원통 구조체의 특정이 완료되면, 제어부는 특정된 하류측 원통 구조체(120a, 120b, 120c)에 대해 속성을 변경하는 수정 설계를 수행한다(단계 S210). 다른 내부의 튜브들과는 다르게 강성이 높은 재질을 사용하거나 내부가 비어 있지 않고 채워진 봉 타입이 적용되게 할 수 있다(120a, 120b 참조). 또는 코너에 위치한 튜브(120c)의 경우에는 그 직경을 다른 튜브에 비해 크게 할 수도 있다.
이처럼 원통 구조체의 특성을 변경시킴으로써, 내부의 튜브와는 다른 고유진동수를 가지도록 할 수 있다.
고유진동수가 변경됨으로써 내부의 튜브에서 유동한 유체에 의해 발생되는 와류에 의한 락인 현상이 발생하지 않게 하고, 파손을 예방할 수 있다.
수정 설계까지 완료되면, 설계 결과에 따라 원통 어레이 구조물, 즉 열교환기를 제작하게 할 수 있다(단계 S125).
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 열교환기 110: 하우징
111: 제1 유입구 112: 제1 배출구
116: 제2 유입구 117: 제2 배출구
120: 튜브 130: 튜브 시트
F1: 제1 유체 F2: 제2 유체

Claims (4)

  1. 해양구조물에 설치되는 원통 어레이 구조물의 제조방법으로서,
    원통 구조체에 대한 기본 배치 설계를 수행하는 단계;
    유체 해석에 기초하여 상기 원통 구조체를 가로지르는 유체의 유동 중 하류측에 배치되는 원통 구조체를 특정하는 단계;
    하류측 원통 구조체에 대해 와류 저감을 위한 속성 변경 설계를 수행하는 단계; 및
    상기 기본 배치 설계 및 상기 속성 변경 설계에 기초하여 원통 어레이 구조물을 제작하는 단계를 포함하는 해양구조물용 원통 어레이 구조물 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원통 어레이 구조물은 열교환기이고, 상기 원통 구조체는 튜브인 해양구조물용 원통 어레이 구조물 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기본 배치 설계 단계에서 상기 원통 구조체의 직경(D)에 상응하여 와류 발생을 억제하는 1.2D 이하의 배치 간격을 가지게 하는 해양구조물용 원통 어레이 구조물 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 속성 변경 설계 단계에서 상기 하류측 원통 구조체에 대해 상기 원통 구조체보다 높은 강성의 재질을 적용하거나 속이 채워진 봉 타입을 적용하거나 상기 원통 구조체보다 큰 직경을 가지게 수정 설계하는 해양구조물용 원통 어레이 구조물 제조방법.
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