어류 축양을 목적으로 외해에 설치되는 대형 가두리 시설은 해양환경 조건으로부터 다양한 외력을 받으며, 이러한 외력에 의한 가두리의 동태는 가두리 시설 자체의 안전과 축양물의 생존과 성장에도 큰 영향을 준다. 그러므로 가두리를 설계하는 단계에서 외력에 의한 가두리의 역학적 움직임을 정확히 파악할 수 있다면 보다 안전하고 효율성 있는 구조물을 설치 할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 원형 가두리에 대하여 조류에 따른 가두리의 동역학적 운동을 해석하기 위하여 이론 모델을 구성하여 수치해석을 하였다. 이 때 수조실험을 통해 흐름에 놓여지는 망지의 여러 조건에 따른 망지 후방의 유속감소율을 적용함으로써 수치계산의 정확도를 높였다. 또한 수치 계산에 의한 시뮬레이션의 결과와 모형 실험에 의한 결과를 비교 분석하였다. 본 연구에서 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 유속이 일정할 때 망지의 d/1가 커질수록 망지를 통과한 후의 유속은 감소하였다. 2. 망지의 d/1가 일정할 때, 유속이 커질수록 망지를 통과한 후의 유속은 증가하였다. 3. 망지의 d/1와 유속이 일정할 때, 망지로부터의 영각이 커질수록 망지를 통과한 후의 유속은 감소하였다. 4. 평면 망지 실험에서 얻어진 유속감소율을 적용한 시뮬레이션에 의한 수종 형상과 모형 실험에 의한 가두리의 수중 형상을 비교한 결과, 오차는 ${\pm}$ 5 % 이내로 나타나 실험결과에 대한 시뮬레이션의 결과가 잘 일치함을 나타내었다.
어류 축양을 목적으로 외해에 설치되는 대형 가두리 시설은 해양환경 조건으로부터 다양한 외력을 받으며, 이러한 외력에 의한 가두리의 동태는 가두리 시설 자체의 안전과 축양물의 생존과 성장에도 큰 영향을 준다. 그러므로 가두리를 설계하는 단계에서 외력에 의한 가두리의 역학적 움직임을 정확히 파악할 수 있다면 보다 안전하고 효율성 있는 구조물을 설치 할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 원형 가두리에 대하여 조류에 따른 가두리의 동역학적 운동을 해석하기 위하여 이론 모델을 구성하여 수치해석을 하였다. 이 때 수조실험을 통해 흐름에 놓여지는 망지의 여러 조건에 따른 망지 후방의 유속감소율을 적용함으로써 수치계산의 정확도를 높였다. 또한 수치 계산에 의한 시뮬레이션의 결과와 모형 실험에 의한 결과를 비교 분석하였다. 본 연구에서 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 유속이 일정할 때 망지의 d/1가 커질수록 망지를 통과한 후의 유속은 감소하였다. 2. 망지의 d/1가 일정할 때, 유속이 커질수록 망지를 통과한 후의 유속은 증가하였다. 3. 망지의 d/1와 유속이 일정할 때, 망지로부터의 영각이 커질수록 망지를 통과한 후의 유속은 감소하였다. 4. 평면 망지 실험에서 얻어진 유속감소율을 적용한 시뮬레이션에 의한 수종 형상과 모형 실험에 의한 가두리의 수중 형상을 비교한 결과, 오차는 ${\pm}$ 5 % 이내로 나타나 실험결과에 대한 시뮬레이션의 결과가 잘 일치함을 나타내었다.
A large cage system for the purpose of fishes farming in the open sea was influenced by various forces from the ocean environment. The deformation of the cage by these forces affects the safety of the cage itself, as well as that of the cultivated creatures. In this research, theoretical model was e...
A large cage system for the purpose of fishes farming in the open sea was influenced by various forces from the ocean environment. The deformation of the cage by these forces affects the safety of the cage itself, as well as that of the cultivated creatures. In this research, theoretical model was established to analyzing dynamic movement influenced by current for cage. Also, to increase the accuracy of calculations, the reduction ratio of flow speed acquired using the flume tank experiment. Applying the reduction ratio of flow speed to the numerical calculation, the calculation values were compared with the measured values in the flume tank experiment using cage model. The results were as follows ; 1. When the flow speed of the flume tank is fixed, the decrease of the velocity of flow which is passed the upper panel side is proportion to the increase of porosity ratio of netting. 2. When the porosity ratio is fixed, the increase of the velocity of flow which is passed the upper panel side is proportion to the increase of velocity of flow. 3. When the porosity ratio and the flow speed of the flume tank are fixed, the decrease of the velocity of flow which is passed the upper panel side is proportion to the increase of attack angle. 4. As a result of comparison between the underwater shape by simulation which is applying the reduction ratio of flow speed from the experiment using plane netting and that by model experiment, it was found out that the result of the simulation was very close to that of model gear within ${\pm}$ 5 % error range.
A large cage system for the purpose of fishes farming in the open sea was influenced by various forces from the ocean environment. The deformation of the cage by these forces affects the safety of the cage itself, as well as that of the cultivated creatures. In this research, theoretical model was established to analyzing dynamic movement influenced by current for cage. Also, to increase the accuracy of calculations, the reduction ratio of flow speed acquired using the flume tank experiment. Applying the reduction ratio of flow speed to the numerical calculation, the calculation values were compared with the measured values in the flume tank experiment using cage model. The results were as follows ; 1. When the flow speed of the flume tank is fixed, the decrease of the velocity of flow which is passed the upper panel side is proportion to the increase of porosity ratio of netting. 2. When the porosity ratio is fixed, the increase of the velocity of flow which is passed the upper panel side is proportion to the increase of velocity of flow. 3. When the porosity ratio and the flow speed of the flume tank are fixed, the decrease of the velocity of flow which is passed the upper panel side is proportion to the increase of attack angle. 4. As a result of comparison between the underwater shape by simulation which is applying the reduction ratio of flow speed from the experiment using plane netting and that by model experiment, it was found out that the result of the simulation was very close to that of model gear within ${\pm}$ 5 % error range.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
모형실험은 d/l와 영각에 따른 유속의 변화 실험에서 얻어진 유속감소율을 시뮬레이션에 적용하였을 경우, 시뮬레이션을 통한 계산치와 수조 실험을 통한 측정치의 일치 정도를 확인하기 위하여 실행되었다. 회류수조에 설치된 원형 가두리 모형에 일정한 속도의 흐름을 흘려보냈을 때 망지의 형상을 관찰하고, 유속의 변화에 따른 모형의 형상 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 외부 환경변화에 강하고 망지재료를 가장 유용하게 사용할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 현재 가장 많이 사용되고 있는 원형 가두리에 대하여 조류의 영향에 의한 가두리의 동역학적 운동을 해석하기 위하여 이론모델을 구성하여 수치계산 하였다. 또한 수치계산의 정확도를 높이기 위한 수조실험을 실시하여 가두리망을 통과하기 전의 유속과 통과한 후의 유속의 변화를 측정하여 망지의 공극율과 영각의 영향에 따른 유속 감소율을 도출하고 이를 수치 계산에 반영 하였다.
본 연구에서는 원형 가두리에 대하여 조류에 따른 가두리의 동역학적 운동을 해석하기 위하여 이론 모델을 구성하여 수치해석을 하였다. 이 때 수조실험을 통해 흐름에 놓여지는 망지의 여러 조건에 따른 망지 후방의 유속감소율을 적용함으로써 수치계산의 정확도를 높였다.
본 연구에서는 원형 가두리의 거동해석을 보다 효과적으로 실행하기 위해 가두리 시스템 중 하나의 가두리를 모델로 하였고, 가두리가 가지고 있는 그물코 16개를 하나의 그물코로 근사하여 시뮬레이션 하였다. 본 연구의 수치해석방법으로는 Newmark β의 방법 중 일반적으로 안정되고 빠른 계산시간을 보장하는 것으로 알려진 사다리꼴 법칙 (a=0, B = 0.
본 연구에서는 해양환경 조건 중 가두리에 작용하는 조류의 영향에 대해서만 검토하였다. 그러나 가두리 시설은 닻줄에 의해 해저에 고정되어 있으므로 구조물의 역학적 움직임을 보다 정확하게 분석하기 위해서는 파랑의 영향을 고려해 주어야 한다.
가설 설정
망지로부터 프레임 폭의 3배 길이에 해당하는 위치에서 측정한 유속은 대형 원형 가두리를 시뮬레이션 할 때 조류가 들어오는 방향으로부터 전방에 있는 망지의 영향을 받은 후 후방의 그물 망지에 작용하는 유속의 세기를 예측하기 위한 데이터로 사용하였으며, 본 논문에서는 이 지점에서의 유속의 감소율을 최 소감소율이라고 상정하였다.
제안 방법
Fig. 6은 유속을 측정한 위치를 좌표계로 나타낸 것으로 프레임의 설치 위치를 기준으로 하여, X축으로 9부분, y 축으로 20부분( 간격 : 110mm)으로 나누어 각 위치의 유속을 측정하였으며, 수심별 유속을 나타내기 위해 z축으로 3부분(간격 : 100mm)으로 나누어 측정하였다.
가두리 모형은 수조의 규모(10.2L×3.2H×2.8 W;m) 를 고려하여 Tauti의 상사법칙에 따라 1/50의 크기로 제작하였으며, 모형 구조물의 규모는 Fig. 1과 같다. 모형 제작에 사용된 망지는 PA 계통의 나일론 땋은 실 망지를 사용하였으며, 이 과정에서 발생하는 비중의 차이는 침자의 무게를 통해 보완해주었다.
가두리의 수중형상을 해석하기 위하여 모형실험을 하였으며, 이 때 실물어구에 작용하는 유속을 각각 0.3m/s, 0.6m/s 로 상정하고 이 값을 Tauti 상사 비에 적용하여 각각 0.15m/s, 0.3m/s 의 유속조건에서 실험하였다.
하였다. 또한 수치계산의 정확도를 높이기 위한 수조실험을 실시하여 가두리망을 통과하기 전의 유속과 통과한 후의 유속의 변화를 측정하여 망지의 공극율과 영각의 영향에 따른 유속 감소율을 도출하고 이를 수치 계산에 반영 하였다. 이러한 수치계산에 의한 시뮬레이션을 이용하여, 실제 사용되고 있는 가두리를 기준형으로 하여 제작된 모형을 이용한 실험에서 얻어진 형상 변화에 대한 결과와 비교 분석하였다.
본 실험에서 사용된 그물 망지는 실제 가두리에서 사용되고 있는 랏셀 망지와, 이와 동일한 그물발의 길이를 가지며 발의 직경이 다른 망지로서 그 재질과 규격은 Table 1과 같다. 또한 이러한 망지들은 직경 4mm의 stainless 프레임에 고정하여 실험하였다.
1과 같다. 모형 제작에 사용된 망지는 PA 계통의 나일론 땋은 실 망지를 사용하였으며, 이 과정에서 발생하는 비중의 차이는 침자의 무게를 통해 보완해주었다. 상사법칙을 적용한 실물어구와 가두리의 관계를 다음의 수식으로 나타난다.
본 실험에서는 가두리 시스템에 작용하는 해양환경 조건 중 파랑에 의한 영향을 고려하지 않고 유속의 영향에 대해서만 분석하였다.
생기게 된다. 본 실험에서는 유속이 그물 망지에 직각으로 들어오는 것을 0° 라고 하여, 영각이 각각 0°, 30°와 60° 인 경우에 대하여 유속을 측정하였다.
본 실험은 d/l가 다른 세 종류의 망지 A, B, C(A:0.07, B:0.09, C:0.11) 에 대하여 흐름이 각 망지를 통과한 후의 유속을 거리별(간격 : 110mm)로 측정하였고, 이 때 유속의 증감 정도를 분석하였다.
본 실험을 통해 얻어진 망지의 공극율과 영각의 변화에 따른 유속감소율은 실제 규모의 원형 가두리를 시뮬레이션 하는데 적용하였다.
본 연구에서는 d/1가 서로 다른 세 종류의 망지를 사용하여 그물 망지를 통과하기 전과 후의 유속이 어떻게 변하는 지를 망지와 흐름이 이루는 각도(영각)별로 분석하였다. 본 연구에서의 d/I는 그물발의 길이와 직경의 비를 나타내는 것으로서 그물감에서 공극율을 대표하는 값이다.
실험에 사용된 유속조건은 실물 기준으로 0.3m/s, 0.6m/s에 대하여 Tauti의 상사비를 고려하여 각각 0.15m/s, 0.3m/s에서 실험하였다.
유속은 0.3m/s와 0.6m/s의 2가지로 설정하여 각 조건별로 측정하였으며 유속계를 이용하여 측정된 유속 측정치는 매 유속마다 40초 동안 각각 2000개의 측정치를 컴퓨터에 입력해서 그 평균치를 사용하였다.
유속의 변화에 따른 형상변화는 Digitizer와 Digital camera (Sony DSC-S70, Japan) 를 이용하여 확인하였다.
모델을 구성하여 수치해석을 하였다. 이 때 수조실험을 통해 흐름에 놓여지는 망지의 여러 조건에 따른 망지 후방의 유속감소율을 적용함으로써 수치계산의 정확도를 높였다. 또한 수치 계산에 의한 시뮬레이션의 결과와 모형 실험에 의한 결과를 비교분석하였다.
이 모델을 가두리에 적용시키기 위해서는 각종 속구들을 질점으로 하고, 실제 그물에 존재하는 그물코들도 수학모델의 질점으로 근사시켜 표현하였다.
회류수조에 설치된 원형 가두리 모형에 일정한 속도의 흐름을 흘려보냈을 때 망지의 형상을 관찰하고, 유속의 변화에 따른 모형의 형상 변화를 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서의 d/I는 그물발의 길이와 직경의 비를 나타내는 것으로서 그물감에서 공극율을 대표하는 값이다. 본 실험에서 사용된 그물 망지는 실제 가두리에서 사용되고 있는 랏셀 망지와, 이와 동일한 그물발의 길이를 가지며 발의 직경이 다른 망지로서 그 재질과 규격은 Table 1과 같다. 또한 이러한 망지들은 직경 4mm의 stainless 프레임에 고정하여 실험하였다.
본 연구에 사용된 가두리 모형은 현재 지중해 몰타 지역의 수심 40m에 부설되어 있는 원형 가두리를 기준형으로 하여 제작하였다. 실제 구조물은 직경 50m, 깊이 25m의 원형 가두리로 PES 재질의 랏셀망(발 길이 : 55mm, 직경 : 4mm) 을 망지로 사용하고 있다.
2와 같다. 수조의 유속은 프로펠러식 유속계 (VOT 2-200-20, KENEK, 측정범위 : 0.03~ 2.0m/s)를 사용하여 측정하였다.
기준형으로 하여 제작하였다. 실제 구조물은 직경 50m, 깊이 25m의 원형 가두리로 PES 재질의 랏셀망(발 길이 : 55mm, 직경 : 4mm) 을 망지로 사용하고 있다.
실험에 사용한 수조는 부경대학교에 설치된 수직 순환형 회류수조(관측부 길이 : 6.0m, 폭 : 2.2m, 수심 : L4m)이며, 실험 장치 및 계측 시스템의 구성은 Fig. 2와 같다. 수조의 유속은 프로펠러식 유속계 (VOT 2-200-20, KENEK, 측정범위 : 0.
데이터처리
이 때 수조실험을 통해 흐름에 놓여지는 망지의 여러 조건에 따른 망지 후방의 유속감소율을 적용함으로써 수치계산의 정확도를 높였다. 또한 수치 계산에 의한 시뮬레이션의 결과와 모형 실험에 의한 결과를 비교분석하였다.
또한 수치계산의 정확도를 높이기 위한 수조실험을 실시하여 가두리망을 통과하기 전의 유속과 통과한 후의 유속의 변화를 측정하여 망지의 공극율과 영각의 영향에 따른 유속 감소율을 도출하고 이를 수치 계산에 반영 하였다. 이러한 수치계산에 의한 시뮬레이션을 이용하여, 실제 사용되고 있는 가두리를 기준형으로 하여 제작된 모형을 이용한 실험에서 얻어진 형상 변화에 대한 결과와 비교 분석하였다.
이론/모형
가두리의 역학적 움직임을 시뮬레이션하기 위해서 사용된 수치 모델은 Mass-Spring 모델이다. 이 모델을 가두리에 적용시키기 위해서는 각종 속구들을 질점으로 하고, 실제 그물에 존재하는 그물코들도 수학모델의 질점으로 근사시켜 표현하였다.
본 연구의 수치해석방법으로는 Newmark β의 방법 중 일반적으로 안정되고 빠른 계산시간을 보장하는 것으로 알려진 사다리꼴 법칙 (a=0, B = 0.25,0.5)을사용하였다.
성능/효과
1. 유속이 일정할 때, 망지의 d//7} 커질수록 망지를 통과한 후의 유속은 감소하였다';
2. 망지의 d/l가 일정할 때, 유속이 커질수록 망지를 통과한 후의 유속은 증가하였다.
3. 망지의 d/1 와 유속이 일정할 때, 망지로부터의 영각이 커질수록 망지를 통과한 후의 유속은 감소하였다.
4. 평면 망지 실험에서 얻어진 유속감소율을 적용한 시뮬레이션에 의한 수중 형상과 모형 실험에 의한 가두리의 수중 형상을 비교한 결과, 오차는 ± 5 % 이내로 나타나 실험결과에 대한 시뮬레이션의 결과가 잘 일치함을 나타내었다.
그러므로 본 연구에서는 장애물의 크기, 즉 흐름의 영향을 받는 그물 망지의 면적뿐만 아니라, 흐름이 망지에 작용하는 각도(영각)에 따른 영향도 고려하여 수치 계산하였으며, 이를 통해 보다 정확한 시뮬레이션의 결과를 얻을 수 있었다.
6m/s 일 때의 유속 감소율보다도 약 5% 크게 나타났다. 이 결과에서 볼 때, 유속이 빨라질수록 망지에 작용하는 저항계수가 작아지는 것으로 추측된다.
이들 결과에서 볼 때 시뮬레이션과 모형실험의 결과는 최대 5 %의 오차율을 가지지만 일반적으로 3 % 안팎의 오차를 나타냄으로써, 시뮬레이션에 의한 계산치와 모형실험을 통한 측정치가 비교적 일치함을 확인할 수 있었다.
이러한 결과를 통하여 망지가 가지는 공극율이 클수록 그 망지를 통과한 후의 유속의 감소율은 커지고, 망지와 흐름의 방향이 이루는 각도가 커질수록 일정한 영역 내에서 흐름의 영향을 받는 망지의 투영면적이 커지므로 이에 따라 유속의 감소율이 커진다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
영향을 준다. 그러므로 가두리를 설계하는 단계에서 외력에 의한 가두리의 역학적 움직임을 정확히 파악할 수 있다면 보다 안전하고 효율성 있는 구조물을 설치할 수 있을 것이다.
파랑에 의한 구조물의 동태에 따라 닻줄에 걸리는 장력의 분포를 정확히 분석함으로써 파손의 위험이 있는 부분을 예측할 수가 있다. 이러한 검토분석을 기반으로 해양 환경 조건에 맞추어서 닻줄의 설치 위치 및 종류, 부력재의 재질 및 크기, 침자의 분포 위치 및 크기 등을 선택할 수 있는 합리적인 가두리 시설의 설계를 통해서 경제적이고 안전한 가두리 시스템을 운영할 수 있을 것이다.
참고문헌 (11)
Aarsnes, J.V., Rudi, H. and Loland, G. (1990) : Curmet force on cage. net deflection. Engineering for Offshore Fish Farming.
Besooneau. J.S. and Marichal. D. (1998) : Study of the dynamics of submerged supple nets (application to trawls). Ocean Engineering 25(1), 563-583
Lee. H. H. and Pei-Wen. W. (2000) : Dynamic behavior of tension-leg platform with net cage system subjected to wave forces. Ocean Engineering 28. 179-200
Malcolm C. M. Beveridge. (1987) : Cage aquaculture. Fishing News Books, 39-101
Provot, X. (1995) : Deformation Constraints in a Mass-Spring Model to Describe Rigid Cloth Behavior. Graphic Interface '95. 147-154
Tsukrov, I., Ozbay. M., Fredriksson, D.W., Swift. M.R., Baldwin, K. and Celikkol, B. (2000) : Open ocean aquaculture engineering : numerical modeling, Marine Technology Society Joumal 34(1), 29- 40
Tsukrov, I., Eroshkin O., Fredriksson, D.W., Swift, M.R. and Celikkol, B. (2002) : Finite element modeling of net panels using a consistent net element, Ocean Engineering 30. 251-270
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.