구리합금그물감의 공극률 및 영각에 의한 유속 저감과 유체역학적 특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 구리합금그물감은 강한 외부환경에 노출되어있는 외해 양식시설에 사용할 수 있는 재료로서의 가능성을 보여주고 있다. 구리합금그물감을 적용하여 보다 안전하며, 사육어에 친화적인 가두리를 설계하기 위해서는 이러한 그물감을 통과한 물의 흐름에 대한 특성과 그물감에 작용하는 외력에 대하여 먼저 규명할 필요가 있다. 따라서, 본 논문에서는 9가지 공극률로 제작한 구리합금그물감을 사용하여 다양한 영각과 유속에서 그물을 통과한 후의 유속 변화와 그물에 작용하는 유체력을 측정하고 분석하였다.
먼저 공극률에 따른 유속 변화에 대해 실험한 결과, 공극률이 커짐에 따라 그물감을 통과한 흐름에 있어서 유속감소율이 증가하는 경향이 나타났으며, 그물감의 영각 변화에 따른 유속 변화의 경우에는 영각이 작아짐에 따라 유속감소율이 커졌다.
또한 유속변화에 따른 그물감에 작용하는 항력에 대해 분석한 결과, 유속이 증가함에 따라 항력은 증가하는 경향이 나타났다. 그리고 그물감에 작용하는 유체력 계수를 분석한 결과, 항력계수는 영각이 작아짐에 따라 커지는 경향이 나타났으며, 양력계수는 영각 0°에서 45°까지 증가함에 따라 증가하다가 영각 45°에서 90°로 증가할 때에는 감소하는 경향이 나타났고, 영각 90°에서 0이 아닌 값이 나타났다. 그 이유로는 그물감에 유체의 흐름이 있을 때 그물감의 비틀림 현상이 일어나고 프레임의 영향으로 예측 결과와 상이한 결과가 나타난 것으로 판단된다. 레이놀즈수 변화에 따라 그물감에 작용하는 유체력 계수를 분석한 결과, 유속 0.3 m/s 이상부터 레이놀즈수 증가에도 비교적 일정한 경향으로 나타났다. 마지막으로 구리합금그물감과 나일론그물감 사이의 유속 변화를 비교하였을 때 그물감을 통과한 후의 흐름에서 구리합금그물감의 경우 유속감소가 더 작게 나타났다. 이러한 재질이 상이한 두 그물감에서의 차이의 원인은 두 그물감의 재료의 강성, 표면의 거칠기, 그물 매듭 등의 차이가 있기 때문이라고 판단된다.
차후 어구나 양식시설과 같은 수중 구조물의 수치해석의 기초 자료로 활용하기 위하여 구리합금으로 제작된 가두리를 이용한 추가적인 실험을 수행하여 평면그물감과 가두리 사이의 유속감소계수에 대한 일반식을 도출한다면, 보다 효율적이고 안정성 있는 어구 설계가 가능할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, copper alloy netting has been proposed as a material for aquaculture facilities can use to build in harsh offshore environments. To design a cage made of copper alloy netting, it is necessary to calculate the flow of water through the netting and force of external sources on the netting. Therefore, this study measured and analyzed the current velocity reduction after passing through the netting and the hydrodynamic forces acting on the netting using copper alloy netting with nine solidity ratios.
As a result of the reduction rate of the flow velocity through the netting, the flow reduction rate was increased when the solidity ratio of netting was increased. The flow reduction rate was also increased when the attack angle on the netting was decreased. In analyzing the resistance on the netting, we also discovered that resistance was increased with increasing the flow velocity and solidity ratio. An analysis of the hydrodynamic coefficient acting on the netting is shown that the drag coefficient tends to increase as the attack angle increases. We also analyzed the hydrodynamic coefficient according to the variation of the Reynolds number. When the drag coefficients acting on the netting were analyzed with the different Reynolds numbers, the Reynolds number increased from over 0.3m/s to a relative constant. Finally, when comparing the flow velocity reduction rate between copper alloy nettings and nylon nettings, the copper alloy nettings had a smaller velocity reduction rate.
Future research on copper alloy netting cages should seek to establish a general formula for a flow velocity reduction coefficient between the plane netting and the cage to help establish a more efficient and stable design for aquaculture facilities.

목차 (Table of Contents)

• 목차 ⅰ
• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅳ
• 초록 ⅴ
• 1. 서론 1
• 2. 재료 및 방법 3
• 2.1. 실험 그물감 3
• 2.2. 실험 수조 및 장치 3
• 2.3. 실험 방법 5
• 2.3.1. 유속감소 실험 5
• 2.3.2. 유체력 계수 실험 5
• 2.4. 공극률 7
• 2.5. 유체력 계수 9
• 2.6. 유속감소계수 11
• 2.7. 레이놀즈수 (Re) 13
• 3. 결과 및 고찰 15
• 3.1. 공극률에 따른 유속감소 15
• 3.2. 그물감의 영각 변화에 따른 유속감소 20
• 3.3. 유속변화에 따른 그물감에 작용하는 유수저항 27
• 3.4. 유체력 계수 32
• 3.5. 레이놀즈수 변화에 따른 공극률별 유체력 계수 38
• 3.6. 구리합금그물감과 나일론그물감 사이의 유속감소계수 비교 47
• 4. 요약 및 결론 50
• 참고문헌 51
• Abstract 53