서 론

최근 우리나라 어촌사회는 1970년대 이후로 어가 수 감소에 따른 어가비율 감소, 어가 인구 감소와 더불어 어가 노령화 지수가 증가하고 있다. 이에 따라, 자연적으 로 연·근해어업 어선 규모 또한 감소하고 있으나, 양식 업의 면허면적은 증가하고 있다(KOSTAT, 2020). 노동 력이 많이 필요한 양식어업은 노동력 저감과 생산효율 을 향상시키기 위해 현대적 기술도입이 추진되고 있다.

새꼬막(Scapharca subcrenata)을 대상으로 하는 연안 패류 양식은 별도의 사료 급이가 없는 양식이며, 패류는 국민 1인당 연간 58.4 kg(MOF, 2017)을 섭취하고 있는 식품 자원 중에 중요한 수산 식품 자원 역할을 담당하고 있다. 새꼬막은 돌조개목 돌조개과(Arcidae)에 속하는 종으로 경사가 완만하고 지반변동이 없는 조용한 내만, 간조 시 수심 약 5~10 m까지의 해역과 해수 비중 1.016~1.022 수준의 담수 영향을 받는 곳에 분포한다 (Jung et al., 2010). 전남 여자만과 득량만을 중심으로 행해지는 새꼬막 양식은 2020년 기준 국내 새꼬막 양식 면적은 12,184 ha로 2016년(11,651 ha) 대비 4.6% 증가 하였으며, 전남 새꼬막 양식 면적은 2020년 10,873 ha로 2016년(10,662 ha) 대비 2.0% 증가하는 있는 주요한 양 식 품목이다(KOSIS, 2022). 새꼬막 양식은 사료 급이가 없이 해수 내 식물성 플랑크톤이나 유기 세편을 섭취하 는 난류성 패류이므로, 새꼬막 양식은 자연환경에 의존 적 경향이 뚜렷하여, 꼬막 수급은 매년 예측이 불가해 수산물로서의 생산 안정성은 떨어지는데, 새꼬막의 수 급 안정화에 있어 가장 중요한 것이 안정적인 종패 확보 라고 할 수 있다. 새꼬막 종패 확보에 있어 가장 우선시 되는 것은 새꼬막 유생 채묘로, 기존의 채묘 방법은 인력 이 직접 갯벌에서 대나무 그물을 설치하는 방식이었으나 (Heo et al., 2020), 사각 테두리 형태의 부체(浮體)를 선 박에 연결하여 새꼬막 유생 발생 예측에 따라 해상에서 자유로운 이동이 가능한 채묘 장치를 구상하게 되었다.

Kwon and Kim (2020)은 전산유체역학을 이용하여 사육 수조 설계와 관련된 기초 자료를 확보하였다. Xue et al. (2022)은 양식용 선박 내의 탱크 자가 청소 특성을 전산유체역학을 이용하여 연구하였다. Putra et al. (2022)은 전산유체역학을 이용하여 양식 탱크 내의 유 동 정보를 제공하였고, 양식 탱크 내 온도 분포에 대해 연구하였다. 전산유체역학은 양식 관련 연구에도 충분 히 활용 될 수 있다.

따라서, 본 연구는 부유식 채묘장치 내부의 유동변화 를 수치해석을 통해 분석하고 채묘장치 내부 그물 주위 의 유동의 물리적 현상을 가시화하여 안정화 설계를 위 한 기초자료를 제시하고자 하였다.

재료 및 방법

실험 방법

부유식 채묘장치에서 부유장치와 그물 주변에서 유동 특성을 해석하기 위해, Fig. 1 같이 실제 사용 중인 부유 식 채묘장치의 크기를 측정 후 모델링하였다. 부유식 채묘장치의 크기는 길이 20,000 mm, 너비는 10,000 mm, 작업을 위해 설치된 내부 3개 사각형 길이는 각각 양쪽 5,000 mm, 중간 3,000 mm 너비는 6,890 mm이다. 부유를 위한 파이프의 직경은 200 mm이며, 발판 아래에 위치해 있다. 수면의 위치는 파이프의 중심이다. 아래쪽 에 위치한 채묘 그물의 길이는 16,000 mm, 높이 1,200 mm, 두께 0.002 mm이다. 그물의 세부 형상은 마름모 형상이며, 가로 9 mm, 세로 6 mm 이나, 꼬막이 장착되어 있다고 가정하여 그물을 벽으로 가정하였다. 그물은 총 5개의 그룹으로 구성하였으며, 1개의 그룹은 5개의 그물 로 이루어져 있다. 그물 간 간격은 150 mm이며, 그룹간 간격은 200 mm이다. 그물은 부유를 위한 파이프의 중심 에서 약 1,000 mm 아래 지점에 고정되어 있으며, 바닥에 서 그물 밑 부분까지는 4,500 mm(간조 시)이다. Fig. 2는 측정된 수치를 바탕으로 3D 모델링된 그림이다.

유동해석에 사용된 프로그램은 Ansys cfx Ver. 19.2 (Ansys, USA)이다. 유동해석을 위해 Design modeler에 서 입구, 출구와 양옆 영향을 고려하여, 길이 24,000 mm, 너비 12,000 mm, 높이 6,700 mm로 Fig. 3과 같이 fluid에 해당되는 부분을 모델링하였다. 부유식 채묘장 치의 파이프 중심이 수면에 해당되며, 유동해석 공간의 윗면(z = 0)이다. ANSYS meshing을 이용하여 유동해석 에 필요한 격자를 생성하였다. 그물의 크기를 고려하여 생성된 격자수는 35,455,703개이며, tetrahedral 격자를 사용하였다(Fig. 4).

유동해석을 위한 설정조건 개략도는 Fig. 5와 같다. 입구 속도는 해상에 설치된 채묘장치에서 측정된 값의 평균인 0.85 m/s, 출구 조건은 압력차가 없다고 가정하 였다. 부유식 채묘장치에서 작업을 위한 내부 공간(위 쪽)과 양쪽은 opening, 부유식 채묘장치의 파이프와 바 닥은 no slip wall로 정의하였다. 유동해석은 steady state, 열전달은 없다고 가정하였고, 유속이 느리지만 해 류 유동은 난류 상태이므로 난류로 가정하였고, 해석에 사용된 난류모델은 k-epsilon이다.

결과 및 고찰

Fig. 6은 부유식 채묘장치의 유동해석 속도장 결과이 며, 수면에서 깊이에 따른 속도를 나타내고 있다. Fig. 6의 각 그림에서 x축은 부유식 채묘장치의 길이 방향이며, 유속 방향을 나타낸다. y축은 채묘 장치의 너비이며, 유 속 방향의 수직이다. z축은 수면이 0 mm이며, 깊이를 나타낸다. 부유식 채묘장치 내부 유속은 부유를 위한 파이프의 영향으로 상당히 느려짐을 알 수 있다(z = 0, -100 mm, -200 mm). 부표와 그물 위쪽 중간 지점(z = 500 mm)은 그물과 부유식 채묘장치의 영향으로 출구 유속은 입구 유속에 비해 느려진다.

그물을 연결하고 고정하는 파이프가 있는 부분(그물 상단(z = -1,000 mm)은 파이프의 영향으로 인해 입구 속도에 비해 최대 약 83.5% 낮게 나타났다. 그물 하단(z = -2,200 mm))은 파이프로 인해 파이프 뒤쪽 속도는 최대 약 22.4% 낮게 나타났다. 그물 사이 간격 속도(z = -1,600 mm)는 그물 그룹 사이 속도보다 약 21.1% 낮 게 나타났다. 그물 사이에서 입구 속도는 높은 반면에 출구부로 갈수록 속도는 최대 약 36.4% 낮아진다(z = - 1,300, -1,600, -1,900 mm). 간조 시, 그물은 바닥의 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다(z = -2,500, -3,000, -3,500 mm).

Fig. 7은 yz 평면(유속 방향의 수직 단면)의 속도 크기 를 나타낸 contour이다. 그물 시작 부분 (x = 0 mm)에서 그물 끝단(x = 16,000 mm)까지 2,000 mm 단위로 속도 크기를 표시하였다. 부유식 채묘장치에서 입구속도에 비해 낮은 속도를 보이는 부분은 부유를 위한 파이프 주변, 그물 주변, 그물과 파이프 사이임을 알 수 있다. 그물 그룹간 사이에서는 후류 방향으로 갈수록 속도가 최대 약 0.63 m/s까지 낮아지는 영역이 증가하나, 입구 부터 12,000 mm까지 그물 그룹 사이 속도가 입구 속도 와 동일한 영역이 존재한다. 그물에서 속도가 낮을수록 새꼬막이 부착성이 높아지므로 채묘장치의 부착 성능을 높이기 위해서는 그물 그룹간 간격이 더 좁아져야함을 알 수 있다.

Fig. 8은 부유식 채묘장치의 깊이에 따른 너비 평균 속도 프로파일을 나타낸 그림이다. 각 그림에서 inlet은 그물부의 입구(x= 0 mm), center는 그물의 중심(x= 8, 000 mm), outlet은 그물부의 출구(z= 16,000 mm)이다. 각 그래프에서 그물 양끝은 – 2,920 mm, 2,920 mm 지점 이다. (a) z= -500 mm의 위치는 부유 파이프와 그물 사 이 중간 부분이며, (b) z= -1,000mm는 그물의 윗 부분, (c) z= -1,600 mm는 그물의 중간 부분, (d) z= -2,200 mm는 그물의 아랫 부분을 의미한다. 그물 윗 부분(b)은 그물 고정을 위한 파이프로 인해 입구와 출구의 속도변 화가 최대 약 15% 높은 것으로 나타났다. 대체적으로 입구에서 속도 저하가 적으며, 그물의 중간과 출구에서 는 그물의 영향으로 인해 속도가 낮아짐을 알 수 있다. 그물 고정 파이프에서 높은 속도와 변동성이 나타났으 며, 이러한 현상을 줄이기 위해 최적화된 그물 배치, 그 물 고정 파이프의 위치 및 형상 변경 또는 그물 양끝단에 구조물 배치가 필요하다고 판단된다.

결 론

본 연구는 부유식 새꼬막 채묘장치의 주변 유동 특성에 관한 연구이다. 새꼬막 양식은 자연 환경적인 영향을 많 이 받기 때문에 꼬막 수급은 매년 예측 어려워 수산물로 서의 안정성은 낮다. 수급 안정화에 있어 가장 중요한 것은 안정정인 종패 확보이다. 이를 위해 본 연구에서는 사각 테두리 형태의 부체를 선박에 연결하여 유생 발생 예측에 따라 해상에서 자유롭게 이동할 수 있는 부유식 채묘 장치를 구상하였다. 이러한 채묘장치는 꼬막의 그물 부착성을 높이기 위해 그물을 일정 간격으로 배치하여 그룹을 만들어 그물에서 낮은 속도와 낮은 속도 변화량이 발생할 수 있게 하였다. 또한, 작업 효율을 높이고, 안정적 인 채묘 환경을 유지하기 위해 부유 장치에서 높이를 조 절 할 수 있다. 채묘장치의 효율을 높이고자 내부의 유동 현상을 수치해석을 통해 분석하였다. 채묘장치는 꼬막의 그물 부착성을 높이기 위해 주변 해류에 비해 낮은 속도 와 낮은 속도 변동성이 필수적이다. 해석 결과, 부유를 위한 파이프 주변, 채묘를 위한 그물 주변부에서 속도 저하가 나타났다. 입구부에서는 그물 고정을 위한 파이프 로 인해 속도 변화가 높은 것으로 나타났다. 따라서 그물 그룹간 간격은 최적화될 필요가 있으며, 그물 외 구조물 도 속도 변화를 줄이기 위한 형상으로 제작되어야 함을 알 수 있다. 추후, 초기 입구 속도의 다양화, 그물의 재질, 그물의 유연성을 고려한 채묘장치의 연구가 필요하다.