와류유발진동 (Vortex-Induced Vibration (VIV))
쉽게 풀면
와류유발진동은 물살이 라이저나 파이프라인 같은 긴 원통 구조물을 지나갈 때, 그 뒤쪽에서 소용돌이(와류)가 좌우로 번갈아 떨어져 나가면서 구조물을 옆으로 밀었다 당겼다 반복하는 힘을 만들어 생기는 진동입니다. 마치 깃발이 바람에 펄럭이는 것과 비슷한 원리로, 이 진동이 구조물의 고유진동수와 겹치면 공진이 일어나 피로 손상이 급격히 가속될 수 있습니다.
왜 중요한가
와류유기진동은 라이저, 강재 현수라이저, 파이프라인 자유경간, 해상풍력 타워처럼 조류나 바람을 받는 원통 구조물의 피로수명을 급격히 줄이는 주요 원인이므로, 심해 라이저 설계에서 피로 검토의 중심 항목입니다. 실무에서는 VIV 억제장치인 스트레이크나 페어링을 설치하며, 그 범위와 효과를 해석과 모형시험으로 정합니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
진동 해석을 해보니 스트레이크가 없는 구간에서는, 소용돌이가 떨어지는 주파수와 구조물의 고유진동수가 서로 맞물려 진동이 계속 증폭되는 락인이라는 현상이 나타났다는 뜻입니다.
와류유기진동은 유체 흐름이 구조물 뒤편에서 소용돌이를 만들어내고, 그 소용돌이가 떨어져 나가는 주기에 맞춰 구조물이 흔들리는 현상임을 보여준다.
조금 더 깊게 보면
와류유기진동은 외력의 주기가 정해진 강제진동이 아니라 구조물의 진동이 와류 방출 주기를 끌어당겨 동조시키는 자기제한적 현상이므로, 진폭이 무한정 커지지 않는 대신 넓은 유속 범위에서 진동이 지속됩니다. 이 때문에 공진 회피만으로는 대책이 되지 않고 진폭 자체를 줄이는 억제장치가 필요합니다. 유동 직각 방향 진동이 크지만 유동 방향 진동도 주파수가 두 배라 피로에 기여하며, 스트레이크는 진동을 줄이는 대신 항력을 늘려 정적 하중을 키우는 절충이 따릅니다.
주의할 점
와류유발진동을 파도에 의한 진동과 혼동하기 쉬우나, VIV는 파도가 아니라 조류나 해류의 흐름에 의해 발생하는 유체역학적 현상이라는 점에서 근본적으로 다릅니다.