서 론

우리나라의 연안역은 여러 가지 환경요인의 변화에 따라 수질환경이 급격히 나빠지는 경우가 점차 빈번해지고 있기에 그 해역에서 행해지는 양식어업의 피해가 크게 증가하고 있다. 장기적으로는 내만의 제한적인 양식 공간에 부설된 가두리 양식 시설은 환경이 좋은 외해와 심해로의 이동이 요구된다.

수상부유식 가두리 시설은 양식생물의 사육과 이동이 가능하기 때문에 양식어종의 고급화 및 다양화 등의 이유로 점점 더 영역을 넓히고 있는 외해 양식 개발에 적합한 구조물일 뿐만 아니라 회유성 고급어종을 대량으로 양식할 수 있다는 장점이 있다. 또한 극한 해상 상태, 즉 태풍이나 적조의 회피 수단으로 이동이 용이하다는 점에서도 그 필요성 및 향후 발전 가능성이 충분하다.

이러한 요구를 충족시키기 위하여 수상부유식 가두리 양식시설은 예인선에 의해 쉽고 안전하게 부설장소를 이동할 뿐만 아니라, 이동 시 가두리 내부의 어류에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있도록 설계해야 한다. 이를 위해서는 가두리 구조물의 저항성능 분석과 복원성 평가를 통하여 예인에 필요한 소요 마력추정 및 안정성 평가가 선행되어야 한다. 본 연구의 대상이 되는 가두리 구조물과 같이 유속이 통과 가능한 그물로 이루어져 있는 경우를 대상으로 하는 연구는 주로 가두리의 항력이나 전개력을 해석하는 것에 초점을 맞추고 있다 (Jeong et al., 2005; Park and Lee, 2014). 또한 어선어업분야에서 어선에 대한 복원성 평가를 통한 안정성과 조업안전 확보에 대한 연구는 LED집어등을 설치하여 수행되었다 (Jeong and An, 2014).

본 연구에서는 이동형 수상부유식 가두리 구조물의 예인저항 추정을 위하여 가두리 외곽의 그물을 닫힌 면으로 가정하고 모형을 이용한 저항시험을 수행하였고, 이를 활어수송의 효율을 높이기 위한 유속차단막 형태에 따른 저항 비교의 기준으로 사용하였다. 또한 가두리 구조물에 대한 복원성 계산을 수행하여 해상에서 운용될 경우의 안정성을 평가하였다.

재료 및 방법

본 연구의 대상이 되는 가두리 구조물은 이동형 수상부 유식으로 어류 양식공간은 약 5,200 m³이다. 어류를 포함했을 때 예인 가능 설계속도는 최대 3 knots이고 공선인 경우 5 knots이다. 가두리의 일반 배치도를 Fig. 1에 나타내었고, 주요 제원은 저항시험에 사용된 모형 가두리의 제원과 함께 Table 1에 나타내었다. 여기서 LOA (length overall)는 전장, B (breadth)는 폭, D (depth)는 깊이, S (submerged area)는 침수면적이고 ▲ (displacement)는 배수량이다. d (draft)는 흘수로 본 연구에서는 8.4 m를 고려하였다. 침수면적은 구조물 본체를 둘러싼 그물로 유속이 통과하지 않는 면으로 가정하여 계산한 수치로 저항시험에서 마력 추정 시 고려되며, 배수량은 흘수 아래에 위치한 가두리 구조물의 용적을 계산한 수치로 복원성능 평가에 산입되었다 (Lewis, 1988).

유속차단막은 가두리를 예인할 때 유입되는 유동장에 의해 받게 되는 어류의 스트레스와 폐사를 방지하기 위한 목적으로 가두리 선수에 설치되어 있다. 본 연구의 선행연구로 우선 표면 처리를 하지 않은 유속차단막형 가두리시설 (이하 Case (A))에 대한 저항특성 시험을 수행하였고, 본 실험은 선행 연구를 기초로 차단막 구조를 4종류로 변경한 유속차단막 형태에 따른 저항특성을 조사․분석하였다.

저항특성을 파악을 위한 모형시험 수행을 위하여, 실시 설계에서 도출된 가두리 구조물에 대하여 축척 1/50에 해당하는 정밀한 모형을 제작하였다. 제작된 모형 가두리는 양식 공간인 본체 구조물과 부력 공급 장치, 유속차단막 등 주된 구조물을 고려하였으며, Fig. 2(b)에 나타내었다.

표면 처리를 하지 않은 유속차단막 형태인 Case (A)에 대한 저항특성 시험결과를 근거로 유속차단막에 다양한 처리를 하여 Case (B), Case (C) 및 Case (D)를 Table 2와 같이 고안하였다.

표면이 매끄러운 면을 가진 Case (A)를 기준으로 하여, Case (B)는 차단막에 지름 6 mm (모형)의 홀 44개를 뚫은 형태로 유속차단막의 투영면적에 대한 홀의 면적비율은 2.16%이다. Case (C)는 빌지킬 형태로 유속차단막 표면에 폭 1.8 mm, 높이 3.4 mm인 빌지킬을 부착하여 이동에 따른 그물에 작용하는 하중을 최소화시킨 것으로, 빌지킬은 차단막의 중심으로부터 수평 방향으로 2개, 수직 아래 방향으로 1개, 대각선 방향으로 2개를 설치하였다. Case (D)는 유속차단막 가장자리를 따라 절단면이 직각 삼각형인 테두리를 부착한 스터드형으로, 이를 통해 유속차단막의 끝단에서 발생하는 난류를 촉진하여 저항을 감소시키고자 설치했으며, 절단면의 직각 삼각형의 폭은 2.6 mm이고 높이는 3.9 mm이다.

모형 시험은 국립수산과학원의 예인수조에서 수행되었으며, 수조의 제원은 길이 85 m, 폭 10 m, 깊이 3.5 m이며 예인전차의 최대속력은 3.0 m/s이다. 저항동력계는 최대 하중이 50 N인 고정식 동력계를 사용하였다. 가두리는 어류를 포함했을 때 최대 이동 속도 및 공선 예인 속도인 3 knots와 5 knots를 포함하여 2, 3, 4, 5, 6 knots의 총 5가지 속도 범위에서 예인하는 것으로 가정하고, 이를 모형가두리의 예인속도로 환산한 0.28~0.85 knots의 속도 범위에서 수조예인실험을 실시하였다.

저항시험 해석은 ITTC 1957 실선 확장법에 따라 수행하였다 (ITTC, 2011; Molland et al., 2011; Telfer, 1927). 본 연구에서 고려된 이동식 가두리 구조물에 대한 저항추정에 있어서 가두리 구조물의 본체를 그물이 아닌 닫힌 면으로 가정하여 침수표면적을 계산하여 저항추정을 단순화하였다. 이러한 가정은 ITTC 실선 확장법을 적용하기 위하여 필요하므로 도입하였다. 이 방법에서는 저항은 기본적으로 마찰저항과 조파저항으로 분리하고 있다. 이동식 가두리는 예인속도가 낮아 조파저항은 상대적으로 미소하며 마찰저항이 전체저항의 대부분을 차지하기에 마찰저항 성분을 최대한 반영하여 유속차단막을 설치한 가두리의 예인력을 모형시험을 통해 일정부분이나마 추정하기 위한 가정이다.

ITTC 1957 모형선-실선 상관관계에 따른 실선의 저항 계수  는 식 (1)과 같이 나타낸다.

여기에서   는 실선의 마찰 저항계수,  는 잉여저 항계수,  는 모형선-실선상관수정계수이며   는 실 선 공기저항계수를 나타낸다. 실선의 마찰 저항계수는 각 선속에 따른 레이놀즈수에 대한 마찰 저항 곡선을 통해 얻을 수 있으며, 잉여저항계수는 모형선의 전체 저항계수 ( )에서 마찰저항계수 (  )를 제한 값을 사용한다. 각각의 계수들은 유체 밀도 , 모형선 또는 실선 속도  , 침수 표면적  를 사용하여 각 저항 값에서     으로 무차원화해서 구할 수 있다.

모형가두리에서 사용된 플랑크톤 네트를 투과하는 유체는 전체저항을 감소시키는 요소로 작용하게 될 것이다. 대략 83%의 투영면적을 가지는 유속차단막으로 인하여 플랑크톤 네트로 인해 발생하는 항력은 미소하다고 볼 수 있다. 따라서 네트의 마찰저항 성분이 크게 작용한 다는 것으로 가정하는 것이며, 이러한 가정의 도입 없이는 모형시험을 통한 ITTC 실선 확장법을 적용할 수 없다는 문제점이 있다. 또한 본 논문에서 대상으로 하고 있는 이동식 가두리의 그물은 장기적으로 해조류와 수생 생물 부착으로 인해 그물의 망목을 통한 유체의 투과량 이 현저하게 줄어들기에, 초기 예인력 추정을 위해서 그물의 면적만을 고려한 침수표면적으로 저항해석에 반영하였다.

안정성 평가

해상에서 가두리 시설의 안정성 확보를 위해서 복원성 계산을 수행하였다. 이동형 수상부유식 가두리 구조물의 복원성능에 대한 판별 기준이 없는 이유로 유사한 시설이며 가두리에도 적합한 것으로 판단되는 플로팅도크 (Floating docks) 및 바지 (Barge)의 안정성 기준을 적용하였다. IMO 기준 (IMO, 2002a, 2002b)의 만족 여부에 따라 안정성을 판단하였으며 그 기준은 Table 2과 같다.

가두리 구조물에 대하여 해상 플로팅독 구조물의 정적 안정성을 나타내는 GM (Metacentric height) 계산을 통해 복원성을 산정하여 안정성을 검토하였다.

결과 및 고찰

일반 유속차단막 형태의 저항

매끄러운 면을 가진 유속차단막을 설치한 Case (A)의 저항시험을 통해 추정한 각 속도별 유효마력 (EHP)을 Fig. 3에 나타내었다. 유효마력은 앞서 시험 방법에서 언급한 것처럼, 가두리 구조물의 본체를 닫힌 면으로 가정하여 얻은 침수 표면적을 적용하여 추정하였다. Fig. 3 에서 확인할 수 있는 것처럼, 어류를 포함한 예인 속도인 3 knots에서 추정한 유효 마력은 약 170 PS이며, 공선 예인 속도인 5 knots에서는 약 850 PS이다. 이를 통해 저항시험 결과 비교를 위한 기준을 선정하였고 유속차단막의 형태에 따른 저항 추정치를 비교할 수 있다.

유속차단막 형태에 따른 저항

매끄러운 면으로 이루어진 유속차단막을 설치한 가두리의 저항시험과 동일한 방법으로 Case (B), (C), (D)의 저항시험 및 마력 추정을 수행하여 그 결과를 Case (A)와 비교하였다. 차단막의 형태별로 총 저항 및 유효 마력을 비교한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Case (B)의 경우, Case (A)와 비교하여 선속의 증가에 따라 전반적으로 저항이 증가하여 추정 마력이 크게 나타나는 것을 Fig. 4(a)를 통해 확인할 수 있다. Case (B)를 제외한 나머지 Case (C) 및 Case (D)에서는 대부분의 선속에서 Case (A)와 비교하여 추정 마력이 줄어드는 것을 Fig. 4(b)와 (c)를 통해 확인할 수 있다.

저항개선 효과를 보다 명확하게 확인하기 위해 Case (A)에 대한 각 유형의 총 저항값 차이를 계산하여 Fig. 5에 나타내었다. 그림에서 (+) 값은 Case (A)의 결과에 대한 저항감소, 즉 저항성능의 개선을 의미하며 (-) 값은 저항증가를 의미한다. Case (C)의 경우, 최고 선속인 6 knots를 제외하고 Case (A)에 비해 저항이 감소하였으며, Case (D)의 경우 시험을 수행한 모든 속도에서 저항이 개선되는 것을 확인하였다. 어류를 포함한 예인속도인 3 knots에서 Case (C), Case (D) 각각 Case (A)에 비해 저항이 약 3.1%, 6.1% 감소하였으며, 공선 예인 속도인 5 knots에서는 약 2.6%, 6.3% 감소하였다. Case (B)의 경우 저속에서는 전반적으로 저항감소를 보이지만 고속에서는 저항이 오히려 증가하여 최대 선속인 6 knots에서는 저항이 약 3.7%까지 증가하였다.

안정성 평가 결과

해상에서의 안정성을 파악하고자 가두리 구조물에 대하여 GM을 계산하여 IMO 기준의 만족 여부로 안정성을 평가하였다. 그 결과 가두리 구조물은 기준 항목을 모두 만족하였으며, 각 항목에 대한 평가결과는 Table 4에 나타내었다. 최대 GZ 각에서의 복원정 면적은 0.63 m ․rad로서 기준인 0.08 m ․ rad보다 크고, 복원력 범위 (the range of stability)는 40° 이상이므로 안정성 기준을 만족시킨다. GM은 24.769 m로 0.095×B 및 0.095×d (IMO 기준)보다 크므로 기준을 모두 만족시킨다.

고 찰

이동식 가두리 구조물의 모형을 이용한 저항시험으로 ITTC 1957 모형선-실선확장 방법의 적용을 통한 유효마력 추정을 가두리 외곽에 설치된 그물을 물이 투과하지 못하는 닫힌 면으로 가정하여 해석하였다. 본 연구의 초기에 그물을 설치하지 않은 알몸선체에 대한 마찰저항 으로 저항해석을 수행한 결과에서는 뼈대구조로 이루어진 구조물의 저항만 반영할 뿐 실제 그물의 저항을 충분하게 반영하지 못한다는 것을 확인하였다.

따라서 그물의 항력을 추가시켜야 하는 것이 필수적이지만, 모형 가두리를 위한 1/50의 상사법칙을 만족하는 그물의 제작이 불가능하므로 그물을 닫힌 면으로 하는 가정을 도입하였다. 즉, 침수표면적을 증가시켜 부분적으로나마 가두리의 예인을 통한 저항시험의 결과를 확장하 는 과정에 그물의 면적을 적용한 침수표면적으로 충분한 마찰저항을 고려하여 실선의 유효마력이 산정되도록 하였다. 비록 엄밀한 실험결과를 도출할 수는 없지만, 본 연구의 중요한 목적인 예인마력의 산정에는 신뢰할 수 있는 초기값 도출에 기여할 수 있는 것으로 판단하였다.

이러한 가정과 모형시험의 실선확장을 통해 추정된 예인을 위한 유효마력은 구조물의 크기에 상응하는 값으로 판단된다. 매끄러운 유속차단막을 설치한 추정 결과인 Fig. 3에서 Sea margin 15%를 고려한다면 선속 5 knots로 예인하기 위해서는 가용출력 1,000마력 이상의 예인선이 필요하다는 것을 알 수 있다.

유속차단막의 형태적 특성에 따라 소요마력을 추정한 결과는 매끄러운 면을 가진 유속차단막에 비하여 끝단에서 유체의 흐름을 교란시켜 난류발생을 촉진시키는 장치를 설치한 스터드형 차단막은 예인속도 3 knots에서 약 6.1%의 저항개선 효과를 보였다. 또한 공선 예인속도 5 knots에서 6.3%의 저항개선 효과가 있는 것으로 나타나 가장 우수한 결과를 보였다.

빌지킬 형태를 갖춘 유속차단막도 저항성능의 향상에 기여하고 있으나 유속차단막에 설치된 빌지킬의 위치와 형태가 정확한 유선의 흐름을 반영하지 못하고 있는 것으로 판단된다. 빌지킬형 차단막은 예인속도 3 knots에서 약 3.1%, 5 knots에서는 약 2.6%의 저항개선 효과가 있는 것으로 나타나 최소한 3%의 예인저항 감소가 있는 것으로 파악되었다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 실선에서는 스터드형 및 빌지킬 형태의 유속차단막을 함께 설치한 유속차단막의 저항성능이 가장 뛰어날 것이라는 것을 유추할 수 있다.

홀 형태를 갖춘 유속차단막의 경우에는 저속으로 예인하는 경우에는 홀로 유입되는 유동의 영향이 작아 전체적인 저항이 줄어들지만 예인속도가 증가함에 따라 유입되는 유동으로 인해서 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 전면에 설치되는 유속차단막은 부분적으 로 유동을 완전히 차단하여 제작하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.

이동식 가두리의 안정성은 수치계산을 통해 초기 메타센터 높이를 계산하고 플로팅독과 바지선에 적용되는 IMO의 판정기준에 따라 복원성 만족여부를 판정하였다. 그 결과, 이동식 가두리 구조물은 IMO 기준을 모두 만족하며 해역의 이동 없이 정해진 해역에서 적절한 방법으로 계류하여 운용한다면 시설물은 충분히 안정하고 실제 해상에서 아무런 문제가 없는 것으로 판명되었다. 그러나 해상상태가 양호하지 않을 경우의 파랑하중에 따른 거동과 안정성에 대한 해석은 본 연구에서는 다루지 않았으며 추후 구조설계를 통한 거동해석과 함께 수행할 계획이다.

결 론

이동형 수상부유식 가두리에 대한 저항시험을 통해 해상실험 수행 시 가두리의 예인에 필요한 소요마력을 추정하였다. 이동속도를 높이기 위해 선수부의 유속차단막 표면에 다양한 처리를 하여 저항시험을 수행하였다. 매끈한 표면을 가진 유속차단막의 가장자리에 삼각형의 테두리를 부착하여 난류발생을 촉진한 스터드 형태의 유속차단막이 매끈한 유속차단막에 비하여 약 6% 이상의 저항감소를 나타내어 가장 우수한 결과를 보였다.

저항시험을 결과를 토대로 ITTC 실선확장 방법을 이용하여 이동형 수상부유식 가두리를 설계속도로 예인하기 위해 필요한 유효마력을 추정하고, 해상시험 수행에 필요한 예인선의 제원 산정에 필요한 기초자료를 확보하였다.

또한 복원성 계산을 통해 가두리 구조물의 안정성 평가를 수행하였다. 이동형 수상부유식 가두리에 대한 안전 기준이 없으므로 유사한 형태의 구조물인 플로팅독의 정적안정성 판정기준을 준용하여 평가하였고, 그 결과 가두리 구조물은 충분한 안정성을 가지고 있다는 것을 확인하였다.

지금까지의 선행연구가 충분하지 못한 대형 이동식 가두리 구조물의 마력 추정을 위해 가두리의 그물을 닫힌 면으로 가정하고 마찰저항에 주안점을 두었기에 본 연구에서 적용한 유속차단막에 대한 실험 결과는 정량적인 결과 값보다는 정성적인 저항개선 효과에 초점이 맞추어져 있다. 또한 해상시험을 위하여 동원하는 각종 장비의 초기제원을 선정하는 기본적인 자료로 활용하였다.

이후 본 연구 결과의 타당성 확인을 위해 지금까지 도출된 결과를 토대로 실물 가두리에 대하여 해상에서 예인시험을 수행할 예정이다. 이후 모형시험 결과 비교를 통해 마력추정 방법을 개선하고 구조적인 안전성의 확보에 대한 연구를 수행할 계획이다.