| dc.description.abstract | Med utgangspunkt i doktorgradsavhandlingene til Mats J. Thorsen og Jan V. Ulveseter presenterer denne oppgaven en semi-empirisk tidsplan-modell som er i stand til å predikere virvelinduserte vibrasjoner (VIV) for stigerør både med og uten strakes. Et mål var å etablere en modell som gir nøyaktige prediksjoner for et bredt utvalg av lasttilfeller, i tillegg til at det var ønskelig å ha en så enkel modell som mulig. Det overordnede målet ved denne avhandlingen var å ta ytterligere et steg mot å gjøre VIV tidsplan-modellen utviklet av Thorsen og Ulveseter anvendbar for reelle ingeniør-problemstillinger.
To separate hydrodynamiske lastmodeller for seksjoner med og uten strakes ble etablert, der begge modellene var basert på Morisons ligning og dermed inkluderte både drag- og treghetskrefter. Modellen for bare seksjoner hadde i tillegg et ledd relatert til virvelinduserte eksitasjonskrefter. Et svært sentralt element i modelleringen av de virvelinduserte eksitasjonskreftene var en synkroniseringsmodell som koblet virvelavløsningen og bevegelsen til stigerøret slik at lock-in ble simulert. Lastmodellen for bare seksjoner var gitt av et sett med empiriske parametere, mens analytiske hydrodynamiske tilleggsmasse- og drag-koeffisienter definerte lastmodellen for seksjoner med strakes.
Den hydrodynamiske lastmodellen ble kombinert med en ikke-lineær elementmodell for prediksjon av VIV-respons for fleksible rør. VIV for både bare stigerør og stigerør delvis dekket med strakes (50% og 75%) i uniform strømning og skjær-strømning ble simulert, og det samme settet med empiriske parametere ble brukt i alle simuleringer. For å vurdere kvaliteten på respons-prediksjonene ble det sett på spenninger, utmatting og utbøyinger både cross-flow og in-line. Kun fundamental VIV-respons ble tatt i betraktning. Generelt gir modellen nøyaktige eller konservative resultater, men ikke-konservative resultater ble observert for noen av tilfellene med lav strømningshastighet. Disse tilfellene er imidlertid assosiert med liten utmatting og vil derfor ikke være av stor betydning i designet av et reelt stigerør. Ekstremt konservative resultater ble observert i en del tilfeller, og dette understreker hvor vanskelig det er å produsere nøyaktige resultater for et bredt spekter av tilfeller med kun ett sett empiriske parametere.
Simuleringer med stigerør delvis dekket med strakes avslørte at den hydrodynamiske modellen er lovende. Samtidig virker det som at bruken av modellen vil være begrenset til tilfeller der responsen er kontrollert av den bare delen av stigerøret, altså når andelen av røret som er dekket med strakes ikke er for stor. Ettersom utmattingen generelt er veldig liten for stigerør med stor andel strakes-dekning er ikke dette en stor ulempe med modellen. | |
| dc.description.abstract | With basis in the PhD work by Mats J. Thorsen and Jan V. Ulveseter, this thesis presents the work on a semi-empirical time domain tool able to predict the vortex-induced vibrations (VIV) response of both bare risers and risers partially fitted with strakes. A goal was to establish a model that can provide accurate predictions for a large variety of cases, another was to avoid making the model too complex. Overall, this thesis aims at bringing the time domain VIV prediction tool first formulated by Thorsen, and further developed by Ulveseter, a step closer of one day becoming a tool suitable for engineering applications.
Two separate hydrodynamic load models for bare and straked sections were formulated, where both were based on Morison's equation and hence included both drag and inertia forces. The model for bare sections included an additional term related to vortex-induced excitation forces. A key element in the modelling of the vortex-induced excitation forces was a synchronization model that connected the vortex shedding and the pipe motion to simulate lock-in. While the load model for bare sections was defined by a set of empirical parameters, the load model for straked sections was given by hydrodynamic added mass and drag coefficients found from analytical formulations.
The hydrodynamic load model was combined with a non-linear finite element structural model in order to predict the VIV response of flexible pipes. VIV of both bare and partially straked (50% and 75%) risers in uniform and shear flow were simulated, and the same set of empirical parameters for defining the hydrodynamic load model was used for all simulated cases. The quality of the response predictions was evaluated in terms of both cross-flow and in-line stress, fatigue and displacement. Only fundamental VIV response was considered. In general the model provided accurate or conservative results, but non-conservative predictions were observed for some of the cases with low current speed. However, these are associated with low fatigue damage and will not be of large significance when designing a real marine riser. Extreme conservatism was observed in some cases, which also underlines that it is difficult to produce accurate results for a wide range of cases with a single set of empirical parameters.
Simulations of the response for the partially straked risers revealed that the hydrodynamic model for strakes is promising, however the application seems to be restricted to when the response is controlled by the bare section, i.e. when the percentage strake coverage is not too high. As the fatigue damage in general is very low for risers fitted with high percentage strake coverage, this is not a major drawback for the model. | |
