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문제 정의
- 따라서 이 연구는 풍랑에 의한 어구 유실을 최소화 할 수 있는 어구를 개발하기 위한 기초 연구로써 우리나라 연안 어업에서 주로 사용되는 스티로폼 부이를 여러 가지 형태의 모형으로 제작하여 파랑과 조류의 흐름 중에서 각 부이의 형상에 따라 계류줄에 전달되는 힘이 어떻게 달라지는가를 수조 실험을 통해 비교함으로서 가장 안정성이 높은 부이를 도출하고자 한다.
- 이 연구에서는 조류 조건에 대한 실험결과로 나타나는 부이별 부이줄의 장력 차이에 대한 원인을 파악하기 위해 흐름 중에 놓인 부이의 부이줄에서 발생하는 장력이 부이의 형상 및 크기와 관련되어 있다고 보았다. 따라서 이와 관련된 요소들을 Table 2와 같이 선정하여 부이줄 장력과의 상관계수를 구하였다.
제안 방법
- (a)에 나타난 바와 같이 수행하였으며, 프로펠러식 유속계 (VOT2-200-20, KENEK Co., 측정범위 : 0.03－2.00 m/s, 오차 : ±4%)를 이용하여 유속 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 및 1.0 m/sec 조건에서 유속별 부이줄의 평균 장력과 장력의 표준편차 그리고 부이줄이 초기 위치에서 수평 방향으로 이동한 변위를 측정하였으며, 부이줄의 수평 이동 변위는 회류 수조 관측창에 설치된 레이져 디지타이져를 이용하여 구하였다.
- 파랑에 대한 실험은 Fig. 2 (b)에 나타난 바와 같이 수행하였으며 파랑의 주기를 1.5, 2.0, 2.5 및 3.0 sec로 하고, 각 주기에 대해 0.10, 0.15, 0.20, 0.25 및 0.30 m 높이의 파고를 적용한 규칙파 조건에서 부이줄에 걸리는 최대 장력값을 측정하는 방법으로 실시하였다.
- 따라서 이와 관련된 요소들을 Table 2와 같이 선정하여 부이줄 장력과의 상관계수를 구하였다. 그리고 흐름 방향에 대한 항력과 부력 차이를 비교하기 위해 실험 및 계산을 통해서 구한 부이별 수평 및 수직 변위 값을 부이줄 장력에 대한 비율로 계산하여 그 결과를 비교하였다(Brainard, 1967).
- 모든 부이는 Fig. 2에 나타난 바와 같이 계류줄 (Kazemaru, Dyneema, 8호 Φ0.5 mm, 인장강도 378.4 N)로 연결하였고, 계류줄이 수조 바닥에 닿는 부분에 직육면체 형태의 49 N 철추를 달아 실험 중 설치 지점에서 움직이지 않게 하였다.
- 보다 자세한 확인을 위해 길이가 최대 실험 파고와 같은 CL-L은 분석 대상에서 제외하고 나머지 4개의 부이에 대해서만 상관분석을 실시하였고, 여기에서도 4개의 부이 높이보다 낮은 파고인 1.0－1.5 m 조건과 그 이상인 2.0－3.0 m 파고 조건으로 이원화하여 분석 하였다. 그 결과 Table 5에서 나타난 바와 같이 1.
- 보다 정확한 검증을 위해 차원해석을 통하여 부이의‘높이’와 부이줄의 장력 사이의 관계를 확인하였다.
- 부이줄의 장력 측정 실험은 국립수산과학원의 수직 순환형 회류수조 (L 25.12 m, W 4.5 m, D 8.27 m; 관측부 L 8.0 m, W 2.8 m, D 1.4 m)와 조파수조 (L 85.0 m, W 10.0 m, D 3.5 m) 시스템을 이용하여 조류와 파랑 조건에 대해서 실시하였다.
- 부피와 재질이 동일하여 부력이 같으나 형상이 다른 5개의 부이 CL-H, CL-V, SP, CS, CL-L를 수중에 계류하여 조류 및 파랑 조건에 대해서 부이줄에 걸리는 장력을 수조실험을 통해 측정한 결과와 그 차이에 대한 원인을 분석하였다.
- 파랑 조건에 대한 실험에서도 마찬가지로 부이줄의 장력 차이에 대한 원인 파악을 위해 동일한 가정을 세우고 관련 요소들에 대한 상관 분석을 실시하였다. 상관분석 결과 가장 관련도가 높은 요소를 도출한 후 차원해석(Sundaravadivelu et al., 1991)을 실시하여 해당 요소에 의한 부이줄 장력의 영향을 파악하였다.
- 상관분석의 타당성을 확인하기 위해 앞에서와 마찬가지로 차원해석을 실시하여 장력 변화에 대한 해당 요소의 영향을 확인하였다. 그 결과 Fig.
- 이 연구에서는 이러한 추정의 타당성 확인을 위해 5개 부이가 모두 수중에 잠기는 파고인 0.3 m와 나머지 파고 조건들로 분석 조건을 이원화하고 이에 대한 상관계수를 각각 계산하였다. 그 결과 각 조건에 대한 관련 요소가 Table 4에 나타난 것과 같이 서로 다르게 나타났다.
- 파랑 조건에 대한 실험에서도 마찬가지로 부이줄의 장력 차이에 대한 원인 파악을 위해 동일한 가정을 세우고 관련 요소들에 대한 상관 분석을 실시하였다. 상관분석 결과 가장 관련도가 높은 요소를 도출한 후 차원해석(Sundaravadivelu et al.
- 파랑 조건에 대한 실험에서도 부이 종류별 부이줄 장력 차이의 원인을 파악하고자 각 실험 주기 및 파고 조건에서 측정된 각각의 부이줄 장력과 Table 2에 나타낸 각 요소들에 대해 상관계수 (절대값)를 구하였다.
대상 데이터
- 모든 실험에서 부이줄의 장력값은 장력 측정 시스템에서 100 Hz의 샘플링 주파수로 30초간 측정하여 얻은 3,000개의 데이터를 취하여 사용하였다.
이론/모형
- 부이는 Froude 상사법칙을 적용하여 실물크기의 1/5로 Fig. 1과 같이 다섯 가지 형태와 규격으로 제작하였고, 계류는 Fig. 2 (c)와 같이 하였다.
성능/효과
- 0.3 m 이상의 파고 조건에서는 부이가 수면과 나란히 만나는 부분인 부이 밑면 방향에 대한 ‘단면적과 저항 계수의 곱’ (A*×C*) 요소가 추가적으로 상관성이 있는 것으로 나타났고, 나머지 파고에서는 모두 부이의 치수 (높이 또는 폭)와 관련된 요소들만 상관성이 있는 것으로 나타났다.
- 8 m/sec 이상의 유속에서는 두 부이의 장력이 비슷하게 나타났다. 가장 빠른 유속 조건 1.0 m/sec에서 가장 큰 값을 나타낸 CL-V와 가장 작은 값을 나타낸 SP 사이의 값의 차이는 3.53 N으로 부이 자체 부력인 8.74 N의 40.4% 였고 SP 보다 CL-V가 48.5% 큰 것으로 나타났다.
- 각 유속 조건에서 부이가 흐름 방향으로 이동한 변위 값을 이용하여 부이줄에 작용하는 분력을 계산한 결과에서는 유속이 동일할 때 항력을 가장 많이 받는 부이는 Fig. 5에서 나타낸 것과 같이 CL-L인 것으로 나타났고, 가장 적게 받는 부이는 SP인 것으로 나타났다. CL-L이 유속 범위 0.
- 계산 결과 ‘부이의 높이’ (H)가 부이줄 장력과 상관관계가 가장 높은 것으로 나타났다.
- 상관분석의 타당성을 확인하기 위해 앞에서와 마찬가지로 차원해석을 실시하여 장력 변화에 대한 해당 요소의 영향을 확인하였다. 그 결과 Fig. 10에 나타난 바와 같이 주기 2 sec의 일부 파고 조건을 제외하면 해당 요소의 증가하는 경향과 부이줄의 장력이 증가하는 경향이 앞의 해석 결과 보다는 비교적 잘 일치한다는 것을 확인하였다. 따라서 부이가 수중에 잠기는 파고 조건에서 부이줄의 장력 차이를 결정하는 것은 부이 밑면 단면적과 저항계수의 곱인 것으로 추정할 수 있었다.
- 0 m 파고 조건으로 이원화하여 분석 하였다. 그 결과 Table 5에서 나타난 바와 같이 1.5 m 이하의 파고에서는 오직 높이 요소만 상관성이 있는 것으로 나타났고, 그 이상의 조건에서는 부이 아랫면에 대한 형상저항계수와 단면적의 곱 요소가 가장 높은 상관성을 갖는 것으로 5개 부이에 대해 실시한 결과와 유사한 경향으로 나타났다.
- 따라서 조류 조건에 대해 부이별 장력의 차이를 유발하는 원인을 정확히 파악하지는 못했다. 그러나 그래프에 나타난 경향을 통해 미루어 볼 때 부이의 자세 변화가 적은 비교적 낮은 유속 범위에서는 부이의 초기 자세에서 흐름과 수직으로 만나는 면과 관련된 요소들에 대해 상관계수의 값이 비교적 크게 나타났고, 부이가 옆으로 눕게 되는 높은 유속 범위에서는 누운 자세에서 흐름과 수직으로 만나는 면과 관련된 요소들에 대해 상대적으로 상관계수의 값이 높게 나타난 것을 알 수 있다. 다시 말해 부이들 사이의 계류 장력의 차이는 유속의 크기에 따라 부이의 자세가 변함에 따라 흐름과 만나는 면이 달라지는 것과 연관성이 있는 것으로 판단된다.
- 일반적으로 어구 표시를 위해 부이에 깃대와 깃발을 달게 되는데, 부이가 물에 쉽게 잠긴다는 것은 조류를 받을 때 이 부분들이 물에 들어가 부가적인 저항을 발생시킬 소지가 있다는 것을 의미한다. 따라서 결과들을 종합해 볼 때, 5종류의 부이 중 유실 가능성이 가장 높은 부이는 CL-L일 것으로 판단된다.
- 부이줄 장력에 대한 표준편차가 크다는 것은 흐름 방향으로 작용하는 항력과 상하 방향으로 작용하는 양력의 변화가 크다는 것을 의미하므로 부이줄에 연결된 어구의 거동에도 동일한 변화를 미칠 것으로 예상된다. 따라서 일정 속도 이상의 흐름을 받을 때 다른 부이들에 비해 상대적으로 진동하는 정도 및 그 증가율이 높은 CL-H는 어구 계류에 대한 안정성이 가장 낮을 것으로 판단된다.
- 부이줄 장력의 크기는 모든 주기와 파고에서 CL-H > CL-V > SP > CS > CL-L 순으로 나타났다. 부이 종류 간에 가장 장력 차이가 큰 경우는 주기 1.5 sec, 파고 0.30 m 조건에서 CL-H와 CL-L 사이였으며, 이때 장력 값의 차이는 3.3 N으로 부이 자체의 부력인 8.74 N의 약 38.2%에 해당하는 값인 것으로 나타났고, CL-H가 CL-L보다 37.8% 큰 것으로 나타났다.
- 부이줄 장력의 크기는 모든 주기와 파고에서 CL-H > CL-V > SP > CS > CL-L 순으로 나타났다. 부이 종류별 부이줄 장력 차이의 원인을 파악하고자 부이줄 장력과 관련 요소들 사이의 상관관계를 분석하고 차원해석을 수행한 결과, 부이가 물에 잠기는 파고 조건에 한해서 부이 밑면 방향에 대한 단면적과 저항계수를 곱한 값이 부이줄 장력 차이를 결정하는 요인인 것으로 추정되었다.
- 모든 유속에서 SP가 가장 낮은 장력 값을 나타냈고, CL-V와 CL-H는 가장 큰 값을 나타냈다. 부이가 흐름 중 수평방향으로 이동한 변위 측정을 통하여 흐름 방향에 대한 저항을 분석한 결과 저항이 가장 적은 것은 SP였고, 큰 것은 CL-L이었다. 조류 조건에 대한 부이줄 장력 차이의 원인을 밝히고자 관련된 요소들을 정하고, 장력과의 상관성을 분석하였으나 관련 요소를 발견하지 못하였다.
- 시험 결과를 종합해 볼 때, 파랑보다 조류의 영향이 상대적으로 큰 지역에서는 SP 부이를 사용하는 것이 유리하고, 반대의 경우에는 CS 부이가 유리할 것으로 보인다. 그러나 파랑과 조류의 영향이 모두 중요한 지역에서는 조류에 대한 저항이 가장 낮고, 파랑 조건에서도 CS 부이 다음으로 낮은 저항 값을 나타낸 SP 부이를 사용하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
- 조류 조건에 대한 실험 결과, 유속이 증가할 때 부이의 장력 값은 증가하는 경향을 보였으나, CS, SP, CL-L는 유속 0.8 m/sec 이상에서는 장력의 크기가 거의 일정하였다. 반면 CL-H, CL-V는 유속 증가에 따라 장력이 지속적으로 증가하였다.
- 조류 조건에 대한 실험결과, Fig. 3 (a)와 같이 유속이 증가할 때 부이의 장력 값은 전반적으로 증가하는 경향을 보였으나 CS, SP, CL-L의 경우 유속 0.8 m/sec 이상에서는 유속이 증가하여도 장력의 크기가 거의 일정하였다. 이와 달리 CL-H, CL-V는 유속증가와 함께 장력이 지속적으로 증가하였다.
- 또한 본 연구에서는 제한된 공간과 실험장비로 인해 유선형 타입 부이에 대한 실험을 수행하지 못했는데 향후 연구에서는 이를 반영해야 할 것이다. 조류조건 대한 실험에서는 SP 부이가 가장 저항을 적게 받으면서도 부력 감소가 적고 장력 값의 변화와 폭도 적어 가장 성능이 우수한 것으로 판단된다.
- 파랑 조건에 대한 실험에서 각각의 부이는 Fig. 7에 나타난 것과 같이 그 종류에 상관없이 동일한 주기에서 파고가 증가할수록 부이줄의 장력이 증가하였으며, 주기가 길어질수록 장력의 값이 조금씩 감소하는 경향을 나타내었다. 부이줄 장력의 크기는 모든 주기와 파고에서 CL-H > CL-V > SP > CS > CL-L 순으로 나타났다.
- 파랑 조건에 대한 실험에서 모든 부이는 동일한 주기에서 파고가 증가할수록 부이줄의 장력이 증가하였으며, 주기가 길어질수록 장력의 값이 조금씩 감소하였다. 부이줄 장력의 크기는 모든 주기와 파고에서 CL-H > CL-V > SP > CS > CL-L 순으로 나타났다.
- 확인 결과 모든 주기 조건에서 ‘높이’ 요소가 증가하는 경향과 부이줄의 장력이 증가하는 경향은 일치 하지 않았다.
후속연구
- 부이줄의 수중 장력을 결정하는 것은 부이의 형상과 파랑의 흐름 등과 같은 외력 조건 뿐만 아니라 어장의 수심과 부이에 연결된 그물의 형상과 구조 등에 지배를 받기 때문에 본 논문에서 제시한 결과로써 실제 어업용 부이의 성능을 정확히 판단할 수는 없다. 따라서 향후 연구에서는 본 연구에서 미처 고려하지 못한 요소들을 포함하여 보다 실질적인 연구를 수행해야 할 것이다.
- 그러므로 다음으로 작은 장력 값을 나타낸 CS 부이가 실용적인 면에서는 CL-L 부이보다 낫다고 판단된다. 따라서 향후 연구에서는 실용성을 고려하여 실험 대상을 선정할 필요가 있다. 또한 본 연구에서는 제한된 공간과 실험장비로 인해 유선형 타입 부이에 대한 실험을 수행하지 못했는데 향후 연구에서는 이를 반영해야 할 것이다.
- 따라서 향후 연구에서는 실용성을 고려하여 실험 대상을 선정할 필요가 있다. 또한 본 연구에서는 제한된 공간과 실험장비로 인해 유선형 타입 부이에 대한 실험을 수행하지 못했는데 향후 연구에서는 이를 반영해야 할 것이다. 조류조건 대한 실험에서는 SP 부이가 가장 저항을 적게 받으면서도 부력 감소가 적고 장력 값의 변화와 폭도 적어 가장 성능이 우수한 것으로 판단된다.
- 부이줄의 수중 장력을 결정하는 것은 부이의 형상과 파랑의 흐름 등과 같은 외력 조건 뿐만 아니라 어장의 수심과 부이에 연결된 그물의 형상과 구조 등에 지배를 받기 때문에 본 논문에서 제시한 결과로써 실제 어업용 부이의 성능을 정확히 판단할 수는 없다. 따라서 향후 연구에서는 본 연구에서 미처 고려하지 못한 요소들을 포함하여 보다 실질적인 연구를 수행해야 할 것이다.
- 따라서 부이는 파랑 발생 시 어구의 위치나 구조에 많은 변화를 주는 요소 중 하나로 볼 수 있다. 파랑에 의해 부이는 외력을 받아 운동을 하고 이 운동이 부이와 연결된 부이줄을 따라 어구에 전달된 결과가 어구의 형상이나 위치 변화로 연결되므로 부이가 파랑 중에 받는 힘을 연구하면 파랑 발생 시 어구에 어떠한 변화가 발생하는지를 알 수 있으므로, 이를 통해 풍랑 중 어구 유실이나 파망 과정을 밝히는 데 많은 도움이 될 것이다.
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