부분적으로 잠긴 파이프의 유체부가질량계수에 대한 이론 및 실험적 고찰 = Theoretical and experimental analysis of NAVMI(Non-dimensional added virtual mass incremental) factor on partially submerged pipes

국문 초록 (Abstract)

원자력 발전소에서 사용하는 수중 펌프는 연직 방향으로 매달린 파이프 구조물로 냉각수를 끌어올리도록 부분적으로 몰수되어 있다. 조수 간만의 차이에 의해 수위가 반복적으로 변함에 따라 몰수되는 높이가 달라지기 때문에 구조물의 진동특성이 급격하게 변화한다. 이러한 급격한 변화는 파이프 시스템의 안정성 및 정비에 큰 영향을 주기 때문에 파이프가 유체에 잠김으로써 시스템에 미치는 영향에 대한 연구가 다양하게 진행되었다. 특히, 파이프가 물에 부분적으로 잠기는 경우의 유체에 대한 진동특성을 계산하기 위해 유체에 의한 부가질량 계수가 필요하다. 이 연구는 파이프가 부분적으로 물에 잠기는 경우, 물의 영향으로 나타나는 유체부가질량계수에 대한 식을 이론적 모델을 통해 비교적 간단히 도출하고 이론 결과를 실험과 전산해석 결과와 비교하였다. 이론적으로 수행한 전산해석의 검증을 위해 실제 원자력 발전소에 쓰이는 파이프 냉각 시스템의 축소 모델을 이용하였다. 파이프 모델이 부분적으로 물에 잠기는 경우, 물의 영향으로 나타나는 유체부가질량계수에 대해 수위 변화에 따라 전산 해석 결과를 실험의 결과와 비교하여 유체부가질량계수를 고찰하였다. 따라서 본 연구 결과를 활용하여, 물에 부분적으로 잠긴 구조물의 진동특성 분석을 위한 유체부가질량계수를 기존의 복잡한 이론이나 전산 해석 과정 없이 간단한 실험식을 통해 계산하여 다양한 해상 구조물에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents an efficient procedure to estimate non-dimensional added virtual mass incremental factors for partially submerged piping systems. The changes in dynamic characteristics of partially submerged pipes are extensively studied in the past. However, these studies involve comprehensive numerical models to track such changes, which could not be applicable for complicated structures. Therefore, in this study, a practical procedure is proposed and developed, where one could estimate the factors using relatively simple empirical processes. First, the first vibrational mode is estimated with the single-degree-of-freedom assumption. Experimental studies are then performed to estimate the frequency changes using a 1/14 scale pipe model, which could be exposed to the different degrees of water level. In low submerged levels, the differences between the proposed model and experiments are in the range of 3-5%, while there are up to 15% errors under the full submerged level. The results demonstrated that the proposed method has a superior capability of estimating the non-dimensional added virtual mass incremental factors without using a computational resources, which are confirmed by experimental and FE model studies.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 이론 및 실험 3
• 2.1 파이프 모델링 3
• 2.2 파이프의 유체부가질량계수 5
• 2.3 실험 구조물 및 장비 소개 6
• 2.4 실험 및 결과 고찰 11
• 제 3 장 유체부가질량계수 고찰 14
• 3.1 파이프 수위 변화에 따른 이론 및 실험 확인 14
• 3.2 파이프 수위 변화에 따른 이론 및 실험, FEM 비교 16
• 3.3 다른 형상의 수위 변화에 따른 이론 및 실험 확인 17
• 3.4 다른 형상의 수위 변화에 따른 이론 및 실험, FEM 비교 19
• 제 4 장 결론 21
• 참고문헌 22