1. 서론
- 최근 일본과 한국에서 대규모 해양구조물을 이용하여 인공적으로 용승류를 발생시키는 연구가 활발히 진행되고 있음.
- 용승류는 심층수의 영양염을 표층으로 이동시켜 어장 환경을 개선하는 효과를 가짐.
- 본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 용승류의 흐름을 수치적으로 모의하고, Marker 기법을 활용하여 영양염의 이동을 분석하는 방법을 탐색함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
- VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
- RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 유동 해석 수행.
- FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 해저 구조 반영.
- 경계 조건 설정:
- 유입부: 일정 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
- 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
- 벽면: No-slip 조건 적용.
- 검사단면(Observation section) 설정
- 검사단면에서의 영양염 농도 변화를 추적하여 용승효과를 정량적으로 분석.
3. 연구 결과
용승류 흐름 분석
- 용승 구조물 설치 전후 비교 결과, 구조물 설치 후 수직 유속이 증가하여 영양염이 상층으로 이동함.
- 구조물 높이에 따른 용승류의 강도 변화 확인:
- 높이 14m: 최대 연직 유속 0.204 m/s.
- 높이 17m: 최대 연직 유속 0.210 m/s.
- 난류 강도 및 유동 패턴
- 용승류가 발생하는 위치에서 난류 에너지가 증가하며, 영양염이 효과적으로 이동하는 것으로 나타남.
- Marker 기법을 이용한 영양염 이동 분석
- 해저에 분포한 Marker가 구조물의 용승 효과로 인해 표층으로 이동하는 것을 확인함.
4. 결론 및 제안
결론
- FLOW-3D 기반 수치 모델이 용승류 효과를 정성적으로 분석하는 데 유용함.
- 구조물의 높이가 증가할수록 용승류가 강해지고, 영양염의 이동 효과가 뚜렷해짐.
- 검사단면에서의 영양염 농도 변화를 분석하면 용승효과를 사전에 평가할 수 있음.
향후 연구 방향
- 다양한 구조물 형상과 배치 조건에서 용승효과 최적화 연구.
- LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구 수행.
- 현장 데이터를 기반으로 실험적 검증 진행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 인공 용승류의 유동 특성을 수치적으로 분석하고, Marker 기법을 이용하여 영양염의 이동을 정량적으로 평가하였다. 이를 통해 어장 조성 사업의 효과를 사전에 예측할 수 있는 방법론을 제시한다.
6. 참고 문헌
- 신정교, 김규한, 편종근 (2004). 인공리프의 용승류 발생효과에 관한 연구, 대한토목학회 정기학술대회논문집, 5548-5551.
- 해양수산부 (2005). 인공용승류를 이용한 어장환경 개선 연구 1차년도 보고서.
- 해양수산부 (2006). 인공용승류를 이용한 어장환경 개선 연구 2차년도 보고서.
- 해양수산부 (2007). 인공용승류를 이용한 어장환경 개선 연구 3차년도 보고서.
- 金卷精一, 鈴木達雄 (2001). 沖合域における漁場造成の課題, 水産工學關係試驗硏究推進會議水産基盤部會報告書, 水産工學硏究所, 23-41.
- 武田眞典, 左タ木洋之 (2006). 人工海底山脈漁場造成現狀課題, 全國漁港漁場整備技術硏究發表會講演集, 5, 105-120.
- 中島敏光 (2002). 海洋深層水の利用, 綠書房.