The Korean Society Fishries And Sciences Education
[ Article ]
The Journal of the Korean Society for Fisheries and Marine Sciences Education - Vol. 32, No. 6, pp.1623-1631
ISSN: 1229-8999 (Print) 2288-2049 (Online)
Print publication date 31 Dec 2020
Received 03 Nov 2020 Revised 24 Nov 2020 Accepted 04 Dec 2020
DOI: https://doi.org/10.13000/JFMSE.2020.12.32.6.1623

인공어초 후류역을 증가시키는 두 가지 관점

김동하 ; 정소미 ; 나원배
부경대학교(학생)
부경대학교(교수)
Two Perspectives for Increasing of Artificial Reef Wake Region
Dongha KIM ; Somi JUNG ; Won-Bae NA
Pukyong National University(student)
Pukyong National University(professor)

Correspondence to: 051-629-6588, wna@pknu.ac.kr

Abstract

Wake region of an artificial reefs (AR) is a significant space to recruit marine species around the AR because the region gathers nutrients and prey (e.g., phytoplankton). Previous studies have focused on relatively small, simple ARs for the estimation of wake regions. Thanks to progressive artificial reef industry, nowadays relatively large, complex ARs are being installed on the seabed; hence, it is necessary to investigate how to secure wake region of those ARs. In this study, the concept of wake volume was used to estimate the wake regions of five relatively complex artificial reefs (ARs). The element-based finite volume method was used to estimate wake volume, and its fluctuation due to the size of the ARs and the inflow velocity was calculated. From the analysis results, it was found that the thickness and area of the structural members of the ARs are important to secure wake region. However, wake region was not created if the AR is composed of only a thin steel frame. This indicates that the function of the structural members of the ARs that blocks the flow is important for the creation of the wake region. In the case of AR in which a wake region occurs, the AR size (height) has a significant positive correlation with the magnitude of the wake region, and if the inflow flow velocity is 1.0 m·s-1 or more, a sufficient eddy currents occur and accordingly no variation in wake volume is observed. Thus, to increase wake region, it is shown that not only the size of AR, but also the thickness and area of the structural members play an important role.

Keywords:

Artificial reef, Water flow, Wake region, Wake volume

Ⅰ. 서 론

해양 생물이 인공어초(artificial reef) 주변에 모이는 이유에 관한 다수의 연구는 네 가지 관점에서 이를 설명하고 있다. 첫째, 인공어초는 추가적인 섭이장(feeding ground)을 제공하고, 섭이 효율성을 증가시킨다(Seaman, 2008). 둘째, 인공어초는 포식자로부터 피할 수 있는 공간을 제공하여 자연 서식지보다 높은 생존율을 제공한다(Hixon and Beets, 1989; Leitão et al., 2008). 셋째, 인공어초는 내부에 유효 공간을 창출함으로써 서식지의 다양성을 제공한다(Einbinder et al., 2006; Kim and Na, 2019). 넷째, 인공어초는 해양 서식지 복원을 위한 잠재적 도구로 활용될 수 있다(Seaman, 2007).

첫 번째 기능과 관련한 인공어초의 중요한 물리적 요소는 인공어초 내부 및 주변에 생성된 유동장(flow field)이다(Seaman, 2008; Oh et al., 2011; Kim et al., 2019). [Fig 1]과 같이 흐름(water flow)은 인공어초 주변에 영양분과 유기물을 운반함으로 플랑크톤 유충은 상대적으로 고요한 인공어초 주변에서 휴식을 취하고, 영양분과 유기물을 섭취할 수 있다. 이는 플랑크톤이나 작은 물고기의 먹이장으로 활용될 수 있고, 따라서 유동장이 인공어초에 미치는 영향은 인공어초의 잠재적 효율성 측정에 활용될 수 있다.

[Fig. 1]

Three-stage function of ARs.

인공어초 주변의 대표적인 흐름 특성은 주된 흐름(mainstream flow)과 인공어초의 상호작용으로 발생하는 재순환 흐름(recirculating flow), 그리고 재순환으로 인해 농축된 영양염과 먹이생물이 존재하는 인공어초 하류 영역인 후류역(wake region)으로 알려져 있다(Al-Bourae et al., 2013). 따라서 후류역의 와류(wake)는 후류역의 개념적 배치인 [Fig. 2]와 같이 다양한 해양 생물을 유인한다. 후류역은 인공어초 가장자리의 분리 지점(separation point)에서 시작하는 재순환(또는 역방향) 흐름을 포함하여 속도가 영인 유선으로 둘러싸인 영역을 나타낸다(Sawaragi, 1995). 인공어초는 대부분 날카로운 모서리를 가지므로 난류(turbulence) 성분이 우세하여, 일반적으로 레이놀즈수(Re)가 1000을 초과한다. 즉, 항력계수가 레이놀즈수와 무관하게 되고(Fox et al., 2004), 후류역의 크기는 인공어초의 기하학적 특성에 따라 고정된다. 이와 같은 후류역의 3차원적인 형상을 시각화하는 것은 후류역의 체적을 추정하는 데 매우 유효하다. 하지만 후류체적(wake volume)을 획득하기는 쉽지 않다. 따라서 후류길이(wake length) 개념이 [Fig. 2]와 같이 후류역의 특성을 나타내는 데 사용되어 왔다(Kim et al., 2014a).

[Fig. 2]

A conceptual layout of wake region (WR) and wake length (WL).

그렇다면 어떻게 후류길이를 산정할 수 있을까? 후류길이는 후류평면에 따라 달라지므로 이론적으로 무한개의 후류길이를 산정하는 방법이 존재한다. 따라서 후류역을 가장 적절하게 나타낼 수 있는 후류평면(wake plane)을 파악하고, 이에 따른 후류길이를 산정할 필요가 있다(Kim et al., 2016b; Woo et al., 2018). 이는 인공어초의 구조적인 형상과 구성에 따라 매우 종속적인 의사결정이다. 따라서 축소된 모형실험으로 평면 정보를 제공하는 입자영상유속계(PIV)를 활용한 인공어초 후류역 특성 평가는 때때로 매우 한정적인 후류특성을 나타낸다.

최근 전산유체역학 및 관련 유동 분석 소프트웨어의 개발은 축소된 모형실험보다 상대적으로 적은 노력으로 인공어초 주변의 유동장을 시각화할 수 있게 한다. 따라서 전산유체역학을 활용한 인공어초 배치 모델의 다양한 유동장 특성을 분석하는 연구가 수행되었다(Liu and Su, 2013; Liu et al., 2013; Kim et al., 2016a; Jung and Na, 2018). 이러한 연구는 비교적 단순한 형상을 가지는 인공어초의 유동장 해석에 국한되었고, 후류역 특성 또한 특정 후류평면에 한정되었다.

최근 일부 아시아 국가에서는 강철 또는 철근콘크리트 부재를 활용하여 대형 인공어초가 제작되고 있다. 이들 대형 인공어초는 기존의 인공어초보다 크고 더 복잡한 구조 특성을 갖는다. 이들 어초는 중소형 어초와 같이 산적 또는 평면 분산으로 설치되지 않고 하나의 모듈(단위)로 일정한 간격으로 설치된다(Kim et al., 2008a; Kim et al., 2008b; Yoon et al., 2016; Han et al., 2020). 이 경우에 인공어초의 구조적 거동과 후류역을 확인할 필요가 있다. 이는 일반적으로 사용된 강판이 용접을 통해 철골과 연결되기 때문에 연결부에서 응력집중 현상 등이 발생할 수 있고, 비교적 큰 간격으로 설치됨으로 개별 인공어초의 후류역이 주변 인공어초의 후류역에 영향을 덜 받기 때문이다. 하지만 이들 대형 인공어초의 후류역 특성에 관한 연구는 찾아보기 어렵다.

따라서 본 연구의 연구 질문은 비교적 복잡하고 대형인 인공어초의 후류역을 증대시키는 방법은 무엇일까이다. 이 질문에 답하기 위한 연구목적은 우리나라 일반어초로 승인된 5가지 복합 인공어초의 흐름 특성을 분석하는 것이다. 이를 위해 첫째 요소기반유한체적법(element-based finite volume method)을 사용하여 유동 해석을 수행하였다. 둘째, 해석을 통해 후류역을 시각화하고, 최근 새로이 도입된 후류체적 개념(Kim et al., 2014b; Jung et al., 2016; Kim et al., 2017)을 활용하여 이들 인공어초의 후류역을 후류체적으로 정량화하였다. 셋째, 후류역에 미치는 영향을 조사하기 위해 인공어초의 중요한 기하학적 인자(인공어초 높이)와 환경 인자(유속)를 고려하였다. 마지막으로 해석 결과를 통해 기하학적 관점에서 후류역을 개선하는 방법에 대해 논의하였다.


Ⅱ. 연구 방법

1. 대상 인공어초

[Fig. 3]은 대상 인공어초를 나타낸다. 여기서 “CAR”은 “복잡한 인공어초”를 의미하며 숫자는 인공어초를 식별하는 번호이다. 이들 어초에 사용된 재료와 크기는 <Table 1>에 요약되어 있다. 세 가지 어초(CAR1, CAR4, CAR5)는 콘크리트와 구조용 강(structural steel)으로 제작되었다. 예를 들면 CAR1은 철골이 철근콘크리트 상자 위에 위치한다. CAR2는 강철 프레임(frame)과 판(plate)으로, CAR3은 강철 프레임으로 제작된다.

[Fig. 3]

Complex ARs considered in the study.

Materials and apparent sizes of complex ARs

2. 해석방법

요소기반유한체적법은 다양한 공학 분야 유동 해석에 사용된다(van Dam, 1999; Zakeri, 2009; Gylys et al., 2012; Liu and Su, 2013; Le et al., 2020; Lee et al., 2020). 이는 대수 방정식의 형태로 편미분방정식을 나타내고, 물리량은 유한차분법 또는 유한요소법과 유사하게 격자의 절점에서 계산된다(Versteeg and Malalasekera, 1995). 여기서 유한체적은 격자의 절점을 포함하는 작은 체적을 말한다. 본 연구에서는 k-epsilon 난류모델과 흐름 해석 전용 소프트웨어인 ANSYS-CFX를 사용하여(ANSYS-Inc., 2009) 흐름해석을 수행하였다.

흐름 해석 과정은 다음과 같다. 첫째, 인공어초를 유한체적을 사용하여 모형화하였고, 유동장의 크기가 해석 결과에 미치는 영향을 분석하여 이를 20m×20m×20m의 정육면체로 구성하였다. 둘째, 육면체 유동장의 앞면과 뒷면은 각각 흐름의 입구(inlet)와 출구(outlet)로 설정되었고, 입구에서 초기 유속 2ms-1(인공어초 설계에서 주로 사용되는 유속)의 흐름이 유입되는 것으로 가정하였다(Fig. 4a). 출구에서는 [Fig. 4b]와 같이 유입된 유체가 출구를 통해 유출되도록 압력 경사를 설정하였다. 왼쪽, 오른쪽, 그리고 윗면은 [Fig. 4c]와 같이 대칭 평면으로 가정되었는데, 이는 대칭 평면 경계에서 20m 거리까지의 유동장이 거울효과(mirror effect)로 확장되는 것을 의미한다. 바닥면과 인공어초와 유체의 경계는 매끄러운 면으로 가정되었다([Fig. 4d]). 셋째, 해석 결과의 정확도를 확보하기 위해 요소 크기를 최대 50mm로 제한하였으며 인공어초에 가까울수록 요소 크기를 작게 설정하였다. 또한, 정밀도를 높이기 위해 해의 수렴 기준을 1×10-6으로 선택하고, 충족되는 경우에만 해석을 종료하도록 설정하였다. 유체는 연속체인 물(밀도 ρ = 997kg·m-3, 동점성계수 μ = 8.899×10-4kg·m-1·s-1)로 가정하였다.

[Fig. 4]

Boundary condition of fluid domain.

후류체적은 음의 유체 속도를 갖는 유선을 [Fig. 5a]와 같이 확인한 후, [Fig. 5b]와 같이 이들 유선에 해당하는 유한체적의 합으로 계산되었다. 또한, 5개의 인공어초의 높이(H, 2H, 4H, 6H, 8H)와 유속(1, 2, 4, 8 ms-1)에 따른 후류체적의 변동을 비교하기 위해 이들 어초의 크기를 높이에 따라 새로 모형화하여 해석을 수행하였다. 따라서 5개 복합 인공어초의 형식뿐만 아니라 이들 어초의 높이 및 유속에 따라서 후류체적의 특성을 분석하였다.

[Fig. 5]

Procedure of obtaining a wake volume: (a) flow streamlines with negative velocity and (b) corresponding finite volumes.


Ⅲ. 결과 및 고찰

<Table 2>에서 인공어초 주변의 흰색은 후류체적을 나타낸다. CAR5가 59m3의 가장 큰 후류체적을 나타내고, CAR4(23.17m3), CAR1(0.72m3)이 그 뒤를 따른다. 이 세 가지 인공어초는 콘크리트와 구조용 강을 사용하여 제작된 어초이다. 여기서 주목할 것은 강판 또는 프레임으로만 제작된 인공어초(CAR2, CAR3)는 상대적으로 더 작은 후류 체적(0.24m3 및 0m3)을 갖는다는 것이다. 이 특성은 사용된 재료의 기하학적 배열로 설명할 수 있다. 즉, 콘크리트의 경우 최근 개선된 제작 방식에 의해 구조용 강과 함께 복잡한 구조형식도 제작할 수 있으며, 구조용 강보다 저렴하므로 더 넓거나 두꺼운 구조 부재로 활용될 수 있다. 따라서 CAR1, CAR4, 그리고 CAR5는 CAR2와 CAR3보다 넓고 두꺼운 구조부재로 구성되어 있다. 이와 같은 기하학적 특성은 물의 흐름을 방해하는 기능을 하며 이로 인해 더욱 큰 후류체적을 형성한다.

Wake volumes of complex ARs

CAR3에 후류역이 생성되지 않는 이유는 구조적 요소로 설명할 수 있다. 다른 인공어초와는 달리 CAR3에는 판과 같은 구조부재가 없다. 즉, 상대적으로 얇은 구조용 강철 프레임만으로는 물의 흐름을 막아주는 메커니즘을 갖지 못한다. 여기서 주목할 것은 CAR2의 경우 구조형식이 CAR3보다 훨씬 단순해 보이지만, 각 모서리에 12개의 강판이 있어 물의 흐름을 막아 와류를 발생하고, 흐름이 재순환되도록 도와준다.

[Fig 6]은 후류역이 발생하는 인공어초(CAR1, CAR2, CAR4, CAR5)의 높이 변화(2H, 4H, 6H, 8H)에 따른 후류체적의 변동을 나타낸다. 선형 상관 결정계수(R2)가 0.7을 초과하는 것으로 나타났으며 이는 인공어초 높이와 후류체적 간의 유의한 양의 상관관계를 나타낸다. 3차 다항식으로 추세선을 설정하면 상관 결정계수는 거의 1.0이 되는 것을 알 수 있으며, 이 결과는 해석에서 인공어초의 크기를 2배, 4배, 6배, 8배 증가시키는 것으로 인공어초의 높이를 증가시켰기 때문이다. 따라서 후류체적은 인공어초의 크기 변화에 매우 민감하게 반응함을 알 수 있다. CAR3의 경우는 크기(또는 높이)를 변화하여도 후류체적이 생성되지 않음을 확인하였으며, 따라서 [Fig. 6]에 나타내지 않았다. 또한, 여기서 주목할 것은 [Fig. 6c(CAR4)]에서 선형 추세선의 기울기가 [Fig. 6d(CAR5)]보다 크다는 것이다. 이는 CAR5가 CAR4를 2개 적층하여 제작되었고, 층간 사이에 흐름이 흘러나가는 통로가 있기 때문이다. 따라서 크기(높이)가 증가할수록 이 두 인공어초의 후류체적의 성장률은 다르다.

[Fig. 6]

Effect of AR height of H, 2H, 4H, 6H, and 8H) on WV: (a) CAR1, (b) CAR2, (c) CAR3, (d) CAR4, and (e) CAR5.

[Fig. 7]은 후류역이 발생하는 인공어초(CAR1, CAR2, CAR4, CAR5)의 유입 유속 변화에 따른 후류체적의 변동을 나타낸다. 후류체적은 유속 변화에 따라 변동이 없음을 알 수 있다. 이는 앞서 설명했듯이 인공어초가 비교적 날카로운 모서리를 가지므로 레이놀즈수가 1000을 초과하고, 따라서 흐름의 격리점(separation point)을 기준으로 충분히 난류가 생성되고 있음을 의미한다(Fox et al., 2004). 따라서 환경인자인 유입 유속은 후류체적에 영향을 주지 않는다.

[Fig. 7]

Effect of inlet flow velocity (1, 2, 4, and 8ms-1) on WV.

앞에서 CAR3에서 후류체적이 생성되지 않는 이유는, 해당 인공어초에 흐름을 막아주는 판과 같은 구조 요소가 부재하기 때문이라고 설명하였다. 따라서 비교적 얇은 구조용 강철 프레임만으로는 역방향 흐름으로 정의되는 후류역을 생성하는 와류가 충분히 발생하지 않았음을 알 수 있다. 이를 확인하기 위해 CAR3의 프레임 사이에 구조용 강판을 추가하여 해석을 수행하였다. 해석 결과 [Fig. 8a]와 같이 후류역(흰색)이 발생하였다. 이와 같은 결과는 인공어초의 후류역을 확보하기 위해서는 판과 같은 구조형식이 매우 중요함을 의미한다. 또 다른 대안은 CAR3의 내부에 특정 구조형식을 채우는 것이다. 이를 위해 CAR3에 다수의 구(sphere)를 채우고 해석을 수행하면 [Fig. 8b]와 같이 후류역이 생성됨을 알 수 있다. 실질적으로 CAR3은 어패류와 해조류의 증식을 위해 이들을 내부에 채운 채 설치됨으로, 적절한 천연바위를 혼재하여 설치한다면 후류역을 생성할 수 있을 것이다.

[Fig. 8]

Wake volumes of modified CAR3s by (a) adding steel plates and (b) installing natural boulders.

우리나라의 인공어초설치기준에는 후류역에 관한 지침이 부재하므로 다수의 인공어초는 설계단계에서 후류역에 관한 고찰 없이 설치되었을 가능성이 매우 크다. 따라서 CAR3과 같은 구조형식을 갖는 인공어초의 후류역을 점검할 필요가 있다. 또한 새로 개발될 인공어초의 경우, 이 연구에서 제안한 후류체적 산정 방법을 사용한다면 축소된 모형실험에 의존하지 않고 비교적 손쉽게 후류체적을 확인할 수 있다.

이 연구에서는 어초의 크기(높이)와 유입 유속에 따른 인공어초 후류역의 변동을 살펴보았는데, 이외에도 유속 방향, 수심, 표면 걸치기 등과 같은 환경인자를 고려하여 후류체적의 변동성을 살펴볼 필요가 있다. 또한, 현재까지 후류체적을 실험적으로 측정하는 실험방법이 제안되지 못했기에 본 연구에서 제안한 후류역 평가 방법을 실험적으로 재현(또는 검증)하는 연구가 필요하다.


Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 비교적 복잡한 인공어초 5종의 후류역을 추정하기 위해 후류체적의 개념을 사용하였다. 후류체적을 추정하기 위해 요소기반유한요소법을 활용하였으며, 인공어초의 크기와 유입 유속 크기에 따른 후류체적 변동을 산정하였다. 해석 결과로부터 후류역을 확보하기 위해서는 인공어초 구조 요소의 두께와 면적이 중요함을 알 수 있었고, 만일 인공어초가 얇은 강철 프레임으로만 구성되면 후류역이 생성되지 않음을 발견하였다. 이는 후류역 생성을 위해서는 흐름을 막아주는 인공어초 구조 요소의 기능이 중요함을 의미한다. 후류역이 발생하는 인공어초의 경우 크기(높이)와 후류역의 크기는 유의한 양의 상관관계를 가지며, 유입 유속이 1.0m·s-1 이상이면 와류가 충분히 발생하여 유입 유속의 증가에 따른 후류체적의 변동은 없음을 확인하였다. 따라서 후류역을 증가시키기 위해서는 인공어초 크기뿐만 아니라 인공어초를 구성하는 구조 요소의 두께와 면적이 중요한 역할을 한다고 할 수 있다.

Acknowledgments

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2019년)에 의하여 연구되었음.

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[Fig. 1]

[Fig. 1]
Three-stage function of ARs.

[Fig. 2]

[Fig. 2]
A conceptual layout of wake region (WR) and wake length (WL).

[Fig. 3]

[Fig. 3]
Complex ARs considered in the study.

[Fig. 4]

[Fig. 4]
Boundary condition of fluid domain.

[Fig. 5]

[Fig. 5]
Procedure of obtaining a wake volume: (a) flow streamlines with negative velocity and (b) corresponding finite volumes.

[Fig. 6]

[Fig. 6]
Effect of AR height of H, 2H, 4H, 6H, and 8H) on WV: (a) CAR1, (b) CAR2, (c) CAR3, (d) CAR4, and (e) CAR5.

[Fig. 7]

[Fig. 7]
Effect of inlet flow velocity (1, 2, 4, and 8ms-1) on WV.

[Fig. 8]

[Fig. 8]
Wake volumes of modified CAR3s by (a) adding steel plates and (b) installing natural boulders.

<Table 1>

Materials and apparent sizes of complex ARs

ID Materials Apparent Sizes
L (m) B (m) H (m)
CAR1 Concrete, Steel 3.00 2.00 2.60
CAR2 Steel 3.47 2.87 2.08
CAR3 Steel 6.00 4.00 1.00
CAR4 Concrete, Steel 6.85 3.66 1.81
CAR5 Concrete, Steel 6.85 3.66 3.22

<Table 2>

Wake volumes of complex ARs

Shape Wake Volume
CAR1
WV = 0.72m3
CAR2
WV = 0.24m3
CAR3
WV = 0.00m3
CAR4
WV = 23.17m3
CAR5
WV = 59.00m3