서 론

최근 국내ㆍ외의 양식 업계에서는 물 자원의 절약을 통한 비용 절감과 해적 생물, 질병 및 수온 등 외부 환경 과의 원천적 차단을 통해 어류의 성육 환경을 용이하게 관리할 수 있는 순환 여과식 양식 시스템(recirculating aquaculture system; RAS)의 도입을 적극적으로 시도하 고 있다. 이 순환 여과식 양식 시스템은 사육 수조에서 나온 물을 정화 수조로 통과시켜서 재사용하는 방식으 로, 인위적인 성육 환경 조절이 가능하기 때문에 현재 상업적으로 사용되고 있는 양식 시스템 중에서 가장 친 환경적으로 물고기를 생산할 수 있는 시설로 평가되고 있다(Bregnballe, 2017). 특히, 정보 통신 기술(information communication technology; ICT), 사물인터넷(internet of things; IoT), 인공지능(artificial intelligence; AI) 등 4차 산업 혁명 기술을 어류 등 대상 생물의 생산에 접목해 원격지에서 자동으로 양식 생물의 성육 환경을 관리하는 스마트 양식의 구현을 위해서는 순환 여과식 양식 시스템 으로의 전환이 요구되며, 이를 위한 설계 기술의 확립이 필요하다(Kwon et al., 2019).

순환 여과식 양식 시스템의 경우 수조에 있는 사육 수와 새로 유입된 물이 적절한 교환이 이루어지도록 형상 구조가 설계되어야 하며(Lekang, 2013), 수조 내 유동 특성을 통해 어류 성장과 생존을 위한 산소 공급 과 양식 어류의 배설물이 사육수로부터 연속적으로 제 거되도록 해야 한다(Bregnballe, 2017). 이와 같은 조건 을 고려할 때, 사육 수조의 형상은 원형 수조가 사각형 수조보다 바람직하다고 알려져 있다(Timmons et al., 1998;Lekang, 2013). 왜냐하면 원형 수조는 유입된 물의 적절한 혼합으로 용존산소 농도가 배출구까지 균 일하게 유지될 수 있을 뿐만 아니라 사육수가 비교적 안정적으로 혼합되고 자기 정화로 수조 내부의 고형물 을 쉽게 제거할 수 있다는 장점이 있기 때문이다 (Timmons et al., 1998). 그런데 순환 여과식 양식 시스 템에 적합한 사육 수조의 형상을 결정하기 위해서는 사육 수조 내부의 유동 패턴과 평균 유속 등 수조의 유동 특성 자료가 중요하다.

따라서 사육 수조 내부의 유동 특성에 영향을 미치는 주요 설계 매개 변수인 유입구와 배출구의 구조 특성을 고려한 연구들이 주로 수행되어 왔다(Klapsis and Burley, 1984;Timmons et al., 1998;Oca et al., 2004;Oca and Masaló, 2013). 특히, 최적화된 사육 수조 유입구의 구조 설계를 통해 사육수의 수질 상태를 양호하게 유지 (Timmons et al., 1998)할 수 있을 뿐만 아니라 유입구 설계를 할 때에는 수조 내부의 벽면에서 중심부까지 그 리고 수면에서 바닥까지 사육수의 회전 속도가 일정하 도록 해야 자기 정화를 통한 고형물의 제거가 신속하게 이루어진다고 보고되고 있다(Timmons et al., 1998).

지금까지 원형 사육 수조의 설계 조건에 따른 유동 특 성을 분석한 연구로서, Oca and Masaló (2013)는 원형 수조의 지름, 수심 및 수조 벽면의 거칠기와 유입구 및 구에서의 유량과 충격력(impulse force)에 따른 유동 패턴 을 분석한 바 있다. 그리고 Summerfelt et al. (2016)은 용 적이 400 m³로 비교적 큰 연어 양성용 수조의 성능(고형 물 제거, 사육수의 일정 혼합 및 물의 회전 속도 등) 검증 을 위해 수조의 지름 및 형상과 유입구 및 배출구의 지름 과 위치 등 사육 수조 설계상의 다양한 요인들을 고려하였 다. 또한 An et al. (2018)은 원형 수조의 배출구 위치에 따른 수조 내부의 유동 특성을 분석하였다.

한편, Summerfelt et al. (2016)은 유입구의 구조를 설 계하기 위해 유입구 지름을, Davidson and Summerfelt (2004)와 Venegas et al. (2014) 및 Gorle et al. (2019)은 유입구 파이프의 분사 각도를 조사하였다. 특히, 사육 수 조의 유입구는 분사 방식에 따라 수평 분사, 수직 분사 및 혼합 분사(수평＋수직)형으로 나눌 수 있는데, Lekang (2013)은 각각의 분사 방식에서 새로 유입된 사육수가 수 질 유지를 위해 적절히 분포된다고 보고한 바 있다. 상기 와 같은 종래의 연구에서는 유입구 구조, 형태 및 배치에 따른 각각의 조건에 대한 사육 수조의 유동 특성을 분석하 였으나, 성육 수조 설계에 필요한 유입구와 배출구의 구조 를 동시에 고려한 통합적인 유동 특성에 대해서는 추가적 인 연구가 필요하다. 따라서 이 연구에서는 어류 서식에 적정한 수질 조건 유지와 효과적인 노폐물 처리를 위한 순환 여과식 양식 시스템에 필요한 사육 수조의 구조를 설계하기 위한 기초 단계로서 전산 유체 역학 (computational fluid dynamics; CFD)을 이용해 원형 수조 바닥면의 경사 각도(0°, 1.5° 및 3°)와 순환수 유입 방식(수 중 분사, 수평 노즐 분사, 수직 노즐 분사 및 혼합 노즐 분사) 및 유입구의 수(1, 2 및 4개)를 달리하는 조건에서 사육 수조 내부의 유동 특성을 해석하였다.

재료 및 방법

사육 수조 형상 및 치수

이 연구에서 대상으로 하는 수조는 Fig. 1과 같이 지 름이 5 m이고 높이가 1 m이며, 수조 내부의 하면에는 중앙 배수구가 설치되어 있는 원형 수조로서 수면의 높 이는 0.4 m이다. 원형 수조 내부 바닥의 경사도에 따른 유동 특성을 파악하기 위하여 수조 바닥면의 경사 각도 를 각각 0˚, 1.5˚및 3˚(경사도 0%, 2.5% 및 5%)로 달리 하여 모델링하였고(Lekang, 2013), Fig. 2와 같이 순환 수 유입 방식을 4가지 방식(수중 공급식, 수평 노즐 분 사식, 수직 노즐 분사식 및 혼합 노즐 분사식)으로 달리 하였다.

해석 방법

수치 해석 모델

CFD 해석을 수행하기 위해서 상용 코드인 Solidworks flow simulation (Ver. 2019, Dassault systems)을 사용하 였는데, 지배 방정식은 식 (1) 및 (2)와 같으며, 난류 모델 은 Favre-averaged Navier-Stokes 방정식을 사용하였다 (Hirsch, 2007). 난류 운동 에너지 k와 난류 운동 에너지 소멸률 ε에 대한 전달 방정식은 Navier-Stokes 방정식 으로부터 구할 수 있다. 이 경우 와(vortex) 점성 계수는 식 (3)과 같이 정의되고 사용된 상수는 다음과 같다.

여기서 상수는 C μ = 0.09 , C ε 1 = 1.44 , C ε 2 = 1.92 , σ k = 1 이다.

해석 조건

해석 시 유입 유량은 15,000 kg/hour (Re = 106,000) 이고 배출수는 자연 배출되도록 하였다. 한편, 유입구를 달리하는 경우 각 노즐의 속도는 식 (4)와 같이 계산하였 으며, 유입수가 들어오는 지점을 1개소, 2개소 및 4개소 로 각각 달리하여 수조 내부의 유동 특성을 해석하였다. 총 10 Case에 대하여 해석을 수행하였고 각 Case별 실험 조건은 Table 1 및 Fig. 3과 같다.

여기서 V 는 노즐의 속도, Q는 유량이고, ΣA 는 모 든 노즐의 단면적이다. 한편, 수조 내부의 3차원 유동 특성을 분석하기 위하여 Fig. 4와 같이 수조 수심 방향으 로 수면, 저면 및 수면으로부터 200 mm의 지점(V2-V2') 및 바닥면(V3-V3')의 3개 수평 평면과 A-A'와 B-B'의 수직 단면에 대하여 유동 해석을 수행하였다.

결과 및 고찰

사육 수조 내부의 유동 특성

순환수의 유입이 수중에서 이루어지고 바닥면의 경사 각도가 0°이며, 유입구가 1개인 원형 사육 수조 조건 (Case 1)의 내부 유동 특성은 Fig. 5 및 6과 같다. Fig. 5에서 순환수는 사육 수조의 유입 지점으로부터 벽면을 따라 유입수가 일정하게 흘러가면서 하부 배출구로 흐 름이 이어졌으며, 유입 지점으로부터 중심이 약간 편향 되게 나타났다. 특히, 유입 지점에서 가장 빠르게 나타나 는 유속은 0.6~0.8 m/s로 수조 벽면을 따라 유입 지점의 반대편에서 점차 유속이 저하되어 수조 중심으로 갈수 록 유속이 0.1~0.2 m/s로 감소되었다. 그런데 Burrows and Chenoweth (1970)와 Mäkinen et al. (1988)에 의하 면, 수조 내의 유속이 0.15~0.3 m/s인 경우 침전된 고형 물을 운반하기 위한 적정 유속으로 보고한 바 있기 때문 에, 본 연구에서 대상으로 한 수조의 경우 유입 유량 및 유지 수심이 적정하다고 판단된다. Fig. 5에서 원형 수조의 수층별 유동 특성을 살펴보면, 1차 회전 흐름이 방사형의 2차 흐름을 생성하고 침전된 고형물을 수조 의 중심부에 있는 하부 배수구로 운반되는 Tee-Cup 효과(Timmons et al., 1998)의 유동 특성이 나타났다. 또한 수조 하부로 이어지는 유입수의 흐름이 수조 바닥 면을 따라 유지되다가 박리에 의한 역압력 구배가 현저 하게 나타났다. 특히, Fig. 6에서와 같이 유입수의 속도 가 감소되는 B-B' 수직 단면에서는 유입구에서 나오는 물의 흐름과 수조를 1회전 한 순환수 및 배출 수직 파 이프에서 돌아 나오는 물의 흐름까지 섞여 보다 복잡한 흐름을 보였다.

바닥 경사도에 따른 사육 수조의 유동 특성

원형 사육 수조의 바닥면 경사 각도를 0°에서 1.5°와 3.0°로 달리한 경우(Case 1-3)의 유동 특성 해석 결과는 Fig. 7과 같다. 이것에서 보면, 사육 수조 바닥의 경사도 가 증가함에 따라 와가 점차 감소하였다. 그리고 수조의 단면 평면에서 순환수는 수조 바닥 경사면을 따라 배출 구 쪽으로 일관된 흐름을 보였고 배출구 파이프를 따라 흘러 내려오는 순환류와 함께 배출구 쪽의 속도도 경사도 가 클수록 빠르게 나타났다. 이것은 어류 배설물 등 노폐 물의 배출을 용이하게 하고 순환수의 흐름도 향상시키는 결과를 기대할 수 있다. 다만 수조 바닥의 경사면과 벽면 의 모서리 부분에서 반류(wake)에 의한 데드존(dead zone)이 발생될 여지가 있으나 그 영향은 미미할 것으로 판단된다. 그러나 Lekang (2013)은 침전된 고형물은 중력 이 아닌 유동 흐름과 유체력에 의해 이동하기 때문에 수조 바닥의 경사도는 수조 내부의 유동 패턴에 거의 영향을 미치지 않는다고 했다. 이에 비해 Xue et al. (2019)은 수조 바닥 경사도가 수조의 유동 패턴에는 거의 영향을 주지 않으나, 수조 바닥면의 경사도는 침전된 고형물을 배출구 로 보내는 추진력을 줄일 수 있다고 보고한 바 있다.

순환수 유입 방식에 따른 사육 수조의 유동 특성

수조 내부로 유입되는 순환수 유입 방식을 달리한 조 건(Case 4, Case 7 및 Case 10)의 유동 해석 결과는 Fig. 8 및 Fig. 9와 같다. 먼저 Fig. 8의 Case 4에서 수평 노즐 로 분사된 순환수는 기존 순환수 유입 방식인 Fig. 7의 Case 1과 매우 유사한 유동 특성을 보였으며, 와류의 크기가 다소 감소된 결과가 나타났다. 다만 수평면에 넓게 유입수가 공급되면서 순환수의 흐름이 Fig. 9와 같 이 타원형의 유속 분포를 보였고 배출구로 진행되면서 바닥면의 유속 분포 역시 타원형의 형태를 나타내었다.

수직 노즐 분사 방식인 Fig. 8의 Case 7에서는 내부의 와류가 크게 개선되고 순환수 흐름이 일정하게 유지되 었다. 또한 Fig. 9에서와 같이 순환수의 흐름도 동심원을 그리면서 벽면 쪽에서 중심으로 유속이 저감되다가 배 출구 쪽에서 빨라지는 경향을 나타내어 가장 우수한 유 동 특성이 나타났다.

그런데 수평 및 수직 노즐 분사 방식을 혼합한 Fig. 8의 Case 10에서도 수조 바닥을 따라 흐르는 내부 나선 형 흐름을 보여 고형물 등을 배출구로 이동시키는 등의 자기 세정 효과를 기대할 수는 있지만 와의 감소 효과는 수직 노즐 분사 방식에 비해 작았다. 순환수 유입 방식에 관해서는 Lekang (2013)과 An et al. (2018)의 해석 결과 가 있기 때문에 이들과 비교해 볼 필요가 있는데, Lekang (2013)에 의하면, 입수관의 유속은 난류와 수두 손실을 고려하여 1.5 m/s 이하인 것이 좋으며, 특히 구멍이나 노즐에서 발생되는 유속은 1.2 m/s 이하가 바람직하다. 이에 비해 An et al. (2018)은 수조의 크기가 7 m인 경우 에는 수직 분사 방식, 수조 크기가 9.15 m인 경우에는 혼합 분사 방식으로 설계하여 CFD 분석을 수행한 결과, 분사 방식에 관계 없이 주입 속도가 약 0.3 m/s로 나타났 다. 그러나 이 연구에서 순환수 유입 방식에 따른 유동 특성을 분석했을 때, 입수관의 유속은 분사 방식에 관계 없이 0.8 m/s 이하가 적정한 것으로 판단된다.

한편, 수평 노즐 분사 방식은 수조 내의 유동이 1차적 흐름을 형성하는 데 있어 좋은 분포를 보였지만, 2차적 흐름을 고려하면 수직 노즐 분사 방식과 혼합 노즐 분사 방식이 적절하다(Lekang, 2013). 더욱이 Timmons et al. (1998)은 수평 노즐 분사 방식이 수조 내부에서 전체적 인 물 교환은 효과적이지만 바닥 부분 흐름이 약하고 다소 불안정하다고 보고한 바 있다.

또한 Choi et al. (2018)은 유입 방식[낙하형 입수관, 다공형 스크류 노즐 방식 입수관(Case 7)]에 따른 상수 도용 저수조 내부에 대한 CFD 해석 결과, 낙하형 입수 관의 경우 유속 분포 범위는 0.0~0.1 m/s이었다. 그리고 입수관의 출구에서 원형 저수조로 유입되는 물을 반대 편의 외각 벽면에 부딪혀 하향류가 발생하며, 이 하향류 로 인하여 와류가 형성되는 것으로 분석되었다(Choi et al., 2018). 이에 비해 다공성 스크류 노즐 방식에서는 유속 분포 범위가 0.0~0.2 m/s이었고 노즐 출구 영역에 서 발생하는 빠른 속도 영역이 원형 수조의 외각 벽면을 따라 일정 길이 이후 속도가 감소하였으며, 저수조 중심 에서 외각 벽면 방향으로 갈수록 속도 분포가 빠른 속도 구배가 형성되었다(Choi et al., 2018).

따라서 수직 노즐 분사 방식이 다른 분사 방식과 비교 하였을 때 와류가 크게 개선되었고 적절한 유속 분포와 순환수 흐름 등을 고려할 때 유동 특성을 개선시키는데 효과적인 것으로 판단된다. 다만 수위 및 수조 지름의 차이에 따라 순환류의 와류 생성 및 순환수 흐름이 달라 질 수 있으므로 이에 대한 검토가 필요하다.

순환수 유입구 수에 따른 사육 수조의 유동 특성

수평과 수직 노즐 분사 방식에 있어 유입구의 수를 2개(Case 5와 Case 8)와 4개(Case 6과 Case 9)로 증가시 켰을 경우 수조 내부의 유동 특성은 Fig. 10과 같다. 이것 에서 보면, 수평 노즐 분사 방식(Case 5와 6)에서 유입구 수 증가에 따른 내부 유동 패턴이나 와류 현상 발생에 있어서는 뚜렷한 차이가 나타나지 않았다. 반면 Case 5, 6, 8과 Case 9를 비교할 경우, Case 9에서 평균 유속 및 유동 특성이 일정하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 특히, 수조 벽면에서 박리에 의한 와류 현상이 해소되어 최적화된 유동 특성을 보이고 있다. 또한 수조 바닥면의 경사도와 병행되는 경우 수조 내부의 고형물 제거에 효 과적이라고 판단된다.

상기 원형 수조 바닥면의 경사 각도(0°, 1.5° 및 3°)와 순환수 유입 방식(수중 분사, 수평 노즐 분사, 수직 노즐 분사 및 혼합 노즐 분사) 및 유입구의 수(1, 2 및 4개)를 달리하는 조건에서 사육 수조 내부의 유동 특성 해석 결과를 요약한 것은 Table 2와 같다. 이것에서 수조의 설계 요인별 유동 패턴 개선 정도를 양호, 보통 및 미흡 으로 구분하여 나타내었다. 특히, Table 2에서 보면, 유 입구의 형태에 대한 유동 패턴 개선 정도의 경우 수직> 수평≒혼합>수중 공급식 순으로 와류가 감소하고 균일 한 유동 패턴이 나타났다. 그리고 전기한 바와 같이 유입 구의 형태, 바닥 경사도 및 유입구 수 등 원형 사육 수조 의 설계 요건을 고려할 경우, 총 10개의 Case 중 Case 9인 순환수의 유입 방식이 수직 노즐 방식이고 수조 바 닥면의 경사 각도가 3°이며, 유입구의 수가 4개인 조건에 서 가장 균일한 유동 패턴과 와류 감소 효과가 나타났다.

결 론

순환 여과식 양식 시스템에 사용되는 원형 사육 수조 의 바닥면 경사도와 순환수의 유입 방식을 달리하는 조 건에서 CFD를 이용하여 수조 내부의 유동 특성을 해석 하였다. 해석 결과, 원형 수조의 바닥 경사도가 증가할수 록 수조 내부의 와류(vortex)를 감소시켜 일정한 방향으 로 유동 특성이 나타났으며, 이로 인하여 자기 정화 기능 이 강화될 것으로 사료된다. 그리고 순환수 유입 방식을 기존의 1개의 원형 파이프에서 수중 공급식, 수평 노즐 분사식, 수직 노즐 분사식 및 혼합 노즐 분사식의 4가지 방식으로 달리하여 해석한 결과, 수직 노즐 분사식에서 일정한 유속 분포와 균일한 유선도 등 우수한 유동 특성 을 보였다. 특히, 유입구 수가 4개인 경우 수조 내 흐름 의 유입 속도 저하를 보완함으로써 보다 균일한 유동 패턴이 나타났다.

이 연구에서는 원형 사육 수조의 유동 특성 해석을 통해서 유입구의 방식과 유입구의 수에 따른 수조 내부 순환수의 유동 특성을 파악함으로써 사육 수조 설계와 관련된 기초 자료를 확보하였다. 앞으로 사각형 등 다양 한 수조 형상 및 크기와 유입수의 수위 및 유량, 일 회전 수 등과 연관된 후속 연구를 수행하여 스마트 양식에 적합한 순환 여과식 양식 시스템용 사육 수조 설계 파라 미터를 확보할 예정이다.