내부용적이 동일한 여러 개 가두리의 저항과 동적거동에 대한 해석

Abstract

In fisheries, the importance of designing efficient fish cages is being emphasized, as aquaculture has become more production than capture fishing. Particularly, the gravity cage system is one of the popular fish cage system in Korea. Currently, gravity cages of various shapes and sizes are being widely designed and installed in offshore and inland seas. The cage is subject to external forces, such as currents and waves, and the shape of the structure and tension on the ropes changes according to these external forces. Thus, it is important to accurately calculate these dynamic behavior, including the external forces and tension on the structure during the design stage. In this study, three types of cage systems with an equal internal volume of 8000 m3 were analyzed using mass-spring models and their behavior was interpreted through simulations. These simulations were used to analyze the behavior and tension of the ropes in response to currents and waves to aid in the selection of individual cage sizes for a given total volume. The numerical calculation results indicate that the resistance increased with flow rate in all cages, and internal volume reduction rate increased as well. Further, as the number of cages increased for all flow rates, total resistance increased.

최근 세계수산물 총 생산 중 양식 생산량은 1억 1천만톤으로 어업생산량 9천백만톤 보다 많다. 또한 양식 생산량은 매년 약 5% 이상 성장하고 있으나 어업생산은 감소하고 있다. 기능성을 갖춘 양질의 동물성 단백질의 수요증가와 더불어 수산물의 수요는 계속 증가되고 있어서 양식에 의한 공급확대에 관심이 커지고 있다. 양식업은 여러 종류로 나눌 수 있는데, 위치에 따라 육지와 해상으로 나누어지며, 또한 내해양식, 외해양식처럼 설치되는 장소에 따라서도 나누어 질 수 있다. 이와 같이 다양한 양식시설이 존재하며, 효율적 양식시설 설계의 중요성 또한 더욱 커지고 있다. 해면에서 실시되는 양식어업 구조물 중 어류양식 가두리는 국내에서도 큰 비중을 차지하는 양식 구조물 중 하나이다. 현재 가두리 시설은 부유식이 많이 사용되고 있으며, 외해 및 내해에 여러 가지 크기와 모양으로 설치되고 있다. 국내에서 많이 사용되는 사각 가두리는 ‘표준양식시설 선정에 따른 시설규격 및 설계도’에 따르면 PE 소재로 10m × 10m × 10m 의 크기이며, 특징은 작업 안정성이 뛰어나며, 관리의 편의성으로 인한 비용 절감 효과를 기대할 수 있어서, 많이 이용되고 있다. 수중 구조물과 마찬가지로 가두리 구조물은 조류와 파랑 등의 외력을 받으며 외력에 따라 형상이 변하고, 계류줄에 걸리는 장력도 달라진다. 이처럼 가두리 구조물은 외력에 의한 움직임과 구조물에 걸리는 장력을 포함한 역학적 움직임을 정확히 계산하는 것이 구조물 설계단계에서 매우 중요하다. 가두리를 포함한 수중 유연구조물의 동적 거동 및 반응에 대한 연구는 앞서 많이 이루어졌다. Tsukrov et al. (2003)은 가두리에 사용되는 망지의 거동을 유한요소법으로 해석하였고, Fredriksson et al. (2003)은 유한요소법을 이용하여 가두리의 수치계산과 현장실험을 이용하여 수치모델을 검증하였다. Lee et al. (2005)은 질량-스프링 모델로 수중 유연 구조물을 모델링하고 수식화 하였다. Li et al. (2006)은 가두리망의 거동을 집중질량시스템을 통해 해석하였다. Lee et al. (2010)은 수중 유연구조물을 컴퓨터상에서 설계하고, 설계된 구조물의 환경 외력에 대한 응답을 시뮬레이션을 통하여 확인 할 수 있는 해석도구를 개발하였다. 이러한 연구들은 과거에 경험에 의존하여 설계하였던 것과는 다르게 구조물에 대한 외력의 응답을 정량적으로 확인 할 수 있게 해주었다. 그러나 대부분의 연구는 하나의 가두리에 대한 거동을 해석한 것으로 여러개의 가두리가 결합되어 설치되는 가두리 시스템에 대한 해석은 거의 없다. 특히 이러한 가두리 시스템을 구성할 때 총 가두리 용적이 주어진 경우 개별 가두리의 크기를 어느 정도 크기로 하는 것이 유체역학 측면에서 유리한 가에 대해서는 알려지지 않았다. 본 연구에서는 가두리 총 내부용적 8000 m3이 주어진 경우 이것을 각각 2, 4, 8개로 나눈 3가지 종류의 가두리 시스템을 질량-스프링 모델을 이용하여 모델링한 후 시뮬레이션을 통하여 거동을 해석하였다. 시뮬레이션에서는 조류와 파랑에 대한 가두리의 거동과 장력을 분석하여 가두리 전체 용적이 주어졌을 때 개별 가두리 크기를 선택하는데 도움이 되는 정보를 제공하고자 하였다.