Numerical Analysis on Velocity Fields around Seabed Tiller for the Improvement of Seabed Soil

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(1)한국동력기계공학회지 제21권 제2호 pp. 48-56 2017년 4월 ISSN 1226-7813(Print) ISSN 2384-1354(Online) Journal of the Korean Society for Power System Engineering http://dx.doi.org/10.9726/kspse.2017.21.2.048 Vol. 21, No. 2, pp. 48-56, April 2017. 해저 토질 개선을 위한 해저경운기 주변의 속도장에 대한 수치해석 Numerical Analysis on Velocity Fields around Seabed Tiller for the Improvement of Seabed Soil 김장권*․오석형**†․김종범***․정상옥**** Jang-Kweon Kim*, Seok-Hyung Oh**†, Jong-Beom Kim*** and Sang-Ok Chung**** (Received 05 January 2017, Revision received 08 March 2017, Accepted 08 March 2017) Abstract: The steady-state, incompressible and three-dimensional numerical analysis was carried out to evaluate the velocity fields around the seabed tiller used for the improvement of the seabed soil and the pulling force and buoyancy generated by driving the seabed tiller. The turbulence model used in this study is a realizable k-ε well known to be excellent for predicting the performance of the flow separation and recirculation flow as well as the boundary layer with rotation and strong back pressure gradient. As a results, a typical vortex pair appears near the adjacent rotor vane tip. When the current is stopped, there is no force when pulling the seabed tiller, but when the current flows at 1.2 knots, the force acts on the downstream side and the pulling force is much greater. In stationary currents, the buoyancy of the seabed tiller acts more strongly towards the seabed as the number of rotations of the rotor increases, but acts more strongly toward the sea surface at 1.2 knots of current. Key Words：Seabed Tiller, Numerical Analysis, Rotor, Seabed Soil, Vane, Vector, Velocity Field. 1. 서 론. 영향을 미치므로, 연안 해저어장의 토질을 개선하 기 위해서는 오염된 퇴적층에 용존산소가 풍부한. 그동안 국내 산업이 발전하면서 또 생활하수가. 해수를 침투시켜 해저 상·하부 층의 토양을 뒤섞. 늘어나면서 육지로부터 각종 폐기물들이나 오염. 어 용존산소량이 풍부한 호기성토질로 바꾸어줘. 원들에 의해 그리고 어류양식에 의한 사료나 배. 야 한다. 이를 위한 자연적인 방법으로는 태풍에. 설물들이 연안 해역에 집중 퇴적되면서 해저 토. 의해 해류의 운동이 급격히 활발해지면서 해저표. 양오염은 가중되어왔다. 이처럼 황폐화된 연안 해. 면의 토양이 해수와 뒤집혀져 개선되거나, 인위적. 저토양은 저서생물 및 각종 어패류의 생존에 큰. 으로는. **†오석형(교신저자) : 군산대학교 기계공학부 E-mail : [email protected], Tel : 063-469-4721 *김장권 : 군산대학교 동력기계시스템공학과 ***김종범 : 한국어촌어항협회 ****정상옥 : 국립수산과학원 갯벌연구센터. 48 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월. 저질개선제를. 투입하거나. 해저경운기. **†Seok-Hyung Oh(corresponding author) : School of Mechanical Engineering, Kunsan National University. E-mail : [email protected], Tel : 063-469-4721 *Jang-Kweon Kim : Dept. of Power System Engineering, Kunsan National University. ***Jong-Beom Kim : Korea Fisheries Infrastructure Promotion Association. ****Sang-Ok Chung : Tidal Flat Research Center-NIFS..

(2) 김장권 ․ 오석형 ․ 김종범 ․ 정상옥. (seabed tiller or cultivator)를 활용하는 방법들이. Schwartz 부등호를 만족해야한다는 현실적인 조건. 있다.. 들을 고려하여 표준 k-ε 난류모델을 수정한 Realizable(이하 RLZ라고 함) k-ε5)을 사용하였다. 특히 이 RLZ k-ε은 일반적으로 회전이나 강한 역압력기울기를 갖는 경계층, 박리 및 재순환을 포함한 유동의 성능예측에 우수하다고 잘 알려져 있다.. Fig. 1 A sketch illustrating submarine cultivator and harvester1) 해저경운기의 사용은 1913년 Lybeck1)에 의해 Fig. 1과 같이 선박에 매달아 굴을 채취하기 위해. Fig. 2 Geometry configuration for analyzing model. 발명한 장치에 이어, 현재에는 해저토질개선을 위 해 선박에 매달아 해저토양을 갈고리(hook)로 긁 어 뒤집으면서 노즐로 해수를 분사하는 발명2)과 갈고리를 이용하여 효율적인 해저오염물 수거작 업을 연구한 문헌들3,4)이 발표되어 왔다. 본 연구에서는 수면으로부터 약 5~6 m 깊이에 있는 해저 연안어장의 토양을 효과적으로 경운하 기 위해서 갈고리 방식이 아닌 깃(vane)이 달린 회전로터(rotor)를 다수 갖는 경운기를 고안하였다. 또 이 경운기는 선박후미에 매달아 유압의 힘으 로 로터의 회전수를 조정하면서 구동할 수 있도 록 하였다. 따라서 이번 연구에서는 정지된 해류 와 일정속도의 해류에서 경운기의 로터가 수중에 서 회전할 때, 경운기 주변에서 확산 발달되는 벡 터 및 속도크기의 분포모습들로부터 해저경운기 를 운용하는데 있어 발생할 수 있는 제반 문제점 들을. 파악하고자. 상용소프트웨어인. SC/Tetra. 5). (ver.12) 를 이용하여 3차원, 비압축성, 정상상태에 서 수치해석을 하였다. 또 이번 연구에서 사용한 난류모델은 난류운동으로 생성된 에너지는 항상 양(+)의. 값으로만. 존재하고,. Fig. 3 Geometry configuration of tiller. 난류전단응력들은. 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월 49.

(3) 해저 토질 개선을 위한 해저경운기 주변의 속도장에 대한 수치해석. 2. 수치해석. 2.2 수치기법 본 연구에 적용한 경계조건들을 살펴보면, Fig.. 2.1 해석모델. 2에서와 같이 해수표면에는 대기압으로, 좌우 벽. Fig. 2는 이번 연구에서 채택한 회전로터방식의. 면에는 Free-slip으로, 또 해저바닥면에는 점착. 해저경운기를 해석하기 위해 설정한 기하학적 형. (no-slip) 조건으로 각각 설정하였다. 또 입구와 출. 상과 크기를 나타내는 그림이다. 여기서 해저경운. 구벽면은 해류속도를 달리하기 위해 각각 속도입. 기는 상부가 막혀있는 회전로터의 덮개를 중심으. 력조건으로 설정하였다. 여기서 로터의 회전수 변. 로 입구로부터 3 m, 출구로부터 5 m, 좌우 벽면으. 화는 실제 현장에서 실험에 반영한 반시계방향. 로부터 3 m, 그리고 해수면으로부터 수직으로 5 m. (CCW)으로 100 rpm, 120 rpm, 140 rpm을 적용하였. 가 각각 떨어지도록 직사각형으로 에워쌓았다. 또. 으며, 상류(해류 입구측)에서 하류(해류 출구측)로. 해저경운기는 Fig. 3과 같이 5개의 로터와 덮개로. 흐르는 해류는 정지 상태와 1.2 knot로 각각 정하. 구성되어 있으며, 각 로터는 축(shaft)에 연결된 4. 였다. 여기서 1.2 knot는 정지해류에서 선박이 해. 개의 지주(support) 끝에 깃을 갖는 구조이고, 로터. 저경운기를 끌고 가는 속도를 고려한 상대속도이. 의 직경은 약 486 mm이며, 덮개를 제외한 경운기. 다. 또 해수의 비중은 1.025로 간주하였다. 한편, 해의 제어를 위해 운동량 및 난류모델방. 의 폭은 1.85 m이다.. 정식들의 대류항들은 모두 2차 풍상차분법(2nd upwind scheme)으로 이산화 하였으며, 확산항들은 초기조건인 Accuracy weighted 기법을 사용하였다 5). . 또한 압력보정방법은 SIMPLEC 알고리듬을 이. 용하였으며, 압력항 및 모든 변수들의 완화계수는 초기상태의 값들을 사용하였다. 그리고 해의 수렴 조건은 모든 변수들의 잔류값이 1.0×10-5일 때로 설정하였다.. 3. 해석결과 및 고찰 Fig. 4 Mesh configuration for numerical analysis. 3.1 정지해류에서 속도분포 비교 Fig. 5는 정지된 해류의 X-Z평면에서 로터의 회. Fig. 4는 Fig. 2의 계산영역을 위해 만든 격자. 전수별로 수치 해석한 벡터분포와 속도의 절대크. (mesh)형상을 나타낸다. 이것은 상용 소프트웨어. 기분포를 나타낸 그림들이다. 여기서 로터의 해석. 인 CATIA(V5R18)로 모델링한 후, SC/Tetra의 전. 단면은 Y방향의 정중앙에서 0.145 m 떨어진 위치. 처리 기능을 이용하여 경계조건들을 부여한 다음,. 로 로터의 깃 끝 부근에 해당한다. 각 회전수에서. "Octree"기능을 이용하여 회전로터로 갈수록 격자. 속도크기는 원주 속도가 가장 큰 깃 끝 부근에서. 크기를 세분화한 결과, 깃의 최소격자크기를 약. 가장 크게 나타나고, 로터내부와 로터덮개 안쪽으. 0.75 mm가 되도록 하였다. 최종적으로 격자를 이. 로도 반시계방향으로 회전하는 유동분포를 보이. 루는 총 요소(element) 수는 약 4,489만개가 만들. 며, 회전수 증가에 따라 그 크기는 증가함을 알. 어졌으며, 특히 회전부에 약 83.5%가 집중되도록. 수 있다. 또한 각 회전수에서 해류의 흐름은 로터. 하였다. 또 로터와 덮개 및 해저바닥벽면에는 해. 의 회전에 의해 덮개하부 측에 작용해 상류방향. 의 수렴성을 높이기 위해서 모두 2개의 프리즘층. 으로 향하고 있다.. (prism layer)을 삽입하였다.. 50 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월. 한편 Fig. 6은 정지된 해류의 X-Y평면에서 로.

(4) 김장권 ․ 오석형 ․ 김종범 ․ 정상옥. Fig. 5 Profiles of vector and velocity magnitude at Y=0.145 m in the X-Z plane (in a stationary current) 터의 회전수별로 수치 해석한 벡터분포와 절대속. (vortex pair)은 회전수가 증가함에 따라 그 세기는. 도의 크기분포를 나타낸 그림들이다. 여기서 로터. 더 커짐을 알 수 있다. 이 같은 현상은 절대속도. 의 해석 단면은 로터의 축 중심을 2등분하는 위치. 크기의 등고선이 깃 주변에서 밀집해 분포하는. (Z=0 m)이다. X-Y평면에서 나타낸 각 회전수별 벡. 것으로도 쉽게 알 수 있다. 결과적으로 로터의 깃. 터분포는 주로 로터의 깃 끝을 중심으로 발달한. 들은 해저 토양을 경운하는 것 이외에도 해류를. 전형적인 와류(vortex)흐름을 잘 보여준다. 특히. 교반하는 2중 효과를 엿볼 수 있다.. 인접한 로터의 깃에 의해 뚜렷이 발달한 와류쌍. 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월 51.

(5) 해저 토질 개선을 위한 해저경운기 주변의 속도장에 대한 수치해석. Fig. 6 Profiles of vector and velocity magnitude at Z=0 m in the X-Y plane (in a stationary current). 3.2 해류속도 1.2 knot에서 속도분포 비교. 이며, 특히 덮개를 빠져나가는 출구 근처에서는. Fig. 7은 해류속도 1.2 knot의 X-Z평면에서 로터. 와류가 형성되고 있다. 또한 해류속도에 의해 로. 의 회전수별로 수치 해석한 벡터분포와 절대속도. 터덮개 선단 상층부로는 대기압인 해수면으로 상. 의 크기분포를 나타낸 그림들이다. 각 회전수에서. 승하는 해류에 의해 유동이 박리되며, 회전수 증. 속도크기는 역시 원주 속도가 가장 큰 깃 끝 부근. 가에 따라 그 박리현상은 더 커짐을 알 수 있다.. 에서 가장 크게 나타나지만, 로터내부와 로터덮개. 따라서 이 박리현상은 로터의 회전수와 방향에. 안쪽으로는 해류속도의 영향이 더 커 정지해류와. 맞물려 베르누이(Bernoulli) 원리에 따라 경운기를. 는 반대인 시계방향으로 회전하는 유동분포를 보. 당기는데 드는 견인력과 부력에 큰 영향을 미칠. 52 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월.

(6) 김장권 ․ 오석형 ․ 김종범 ․ 정상옥. Fig. 7 Profiles of vector and velocity magnitude at Y=0.145 m in the X-Z plane (at 1.2 knots of current) 것으로 판단된다. Fig. 8은 해류속도 1.2 knot의 X-Y평면에서 로터. 로터의 깃 끝을 중심으로 발달한 전형적인 와류 쌍의 흐름은 정지해류의 경우와 거의 유사한 분. 의 회전수별로 수치 해석한 벡터분포와 절대속도. 포를 보이지만, 와류쌍의 확산 크기는 정지해류에. 의 크기분포를 나타낸 그림들이다. 각 회전수에서. 서보다 약간 작게 나타나며, 깃 끝 주변의 최대속 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월 53.

(7) 해저 토질 개선을 위한 해저경운기 주변의 속도장에 대한 수치해석. Fig. 8 Profiles of vector and velocity magnitude at Z=0 m in the X-Y plane (at 1.2 knots of current) 도크기는 해류속도와 맞물려 매우 작은 크기 증. 기의 견인력  와 부력  를 각각 나타낸 표들이. 가를 보여주고 있다. 이것은 정지해류에서는 로터. 다. 여기서 경운기는 로터자체에 작용하는 힘과. 의 회전에 의해 와류가 주위로 충분히 확산 발달. 로터덮개에 작용하는 힘들로 분리하여 나타내었. 하지만, 1.2 knot의 해류에서는 상류에서 하류로. 다. 한편, 경운기를 해류상류 쪽으로 끌 때, 로터. 흐르는 해류속도의 간섭에 의해 충분히 확산하지. 에 걸리는 견인력은 해류의 속도변화에 따라 그. 못하기 때문이다.. 리고 회전수 증가에 따라 각각 약간 증가하는 경 향을 보이나(물론, 회전수 140 rpm에서는 예외지. 3.3 해저경운기의 견인력 및 부력. 만), 로터덮개에 걸리는 견인력은 정지해류의 경. Table 1과 Table 2는 정지해류와 1.2 knot의 해. 우 회전수 증가에 따라 해류상류 측으로 현저히. 류에서 회전로터의 회전수별로 수치 해석한 경운. 증가되어 힘이 덜 걸리는 반면, 1.2 knot의 해류에. 54 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월.

(8) 김장권 ․ 오석형 ․ 김종범 ․ 정상옥. 서는 하류방향으로 향하는 힘이 크게 걸리지만,. 로터 체적에 의한 부력이 지배적으로 회전수 증. 그 크기는 회전수 증가에 따라 약간 감소하는 경. 가에 따라 약간 증가하여 나타나지만, 해류가 1.2. 향을 보이고 있다. 이것은 해류가 정지 상태일 때. knot로 흐를 때에는 로터덮개 상하부로 흐르는 속. 는 로터가 회전하면서 로터덮개 하부에서 발생한. 도로 인해 정압력차의 힘이 체적에 의한 부력을. 정압력이 로터상부보다 크게 낮아져 일어나는 현. 이겨 해저 쪽으로 강하게 누르려는 경향을 보이. 상으로 판단된다. 반면 해류가 1.2 knot로 흐르게. 고 있다. 그러나 정지해류일 때 로터의 회전으로. 되면, 해류속도가 직접 로터덮개 하부 측에 작용. 덮개 하부에만 흐름이 존재하므로 로터 회전수. 하고, 상부측은 덮개 선단에서 박리된 유동으로. 증가에 따라 더 감소해지는 덮개 상하부 측 정압. 인해 정압력이 높아져 전체적으로 힘이 크게 걸. 력차이에 의한 힘은 덮개체적으로 인한 힘보다. 리는데, 로터의 회전수가 증가하면, 그만큼 로터. 더 세게 작용하므로 로터덮개에 작용하는 부력은. 덮개 하부 측에 정압이 낮아져서 힘이 약간 감소. 해저 쪽으로 강하게 작용하는 반면, 해류가 1.2. 해지는 것으로 판단된다. 전체적으로 볼 때, 로터. knot로 흐를 때에는 해류속도가 직접 로터덮개 상. 의 회전수 증가에 따라 해류정지 시 해저경운기. 하부 측에 작용하므로 덮개 상하부의 압력차에. 의 견인력은 상류 쪽으로 작용하므로 전혀 들지. 의한 힘은 정지해류의 경우보다 더 적어져 체적. 않지만, 해류가 1.2 knot로 흐를 때에는 힘이 하류. 으로 인한 부력이 더 크게 작용함을 알 수 있다.. 쪽으로 작용하여 견인력이 훨씬 많이 듦을 알 수. 따라서 전체적으로 볼 때, 정지해류일 때 해저경. 있다.. 운기의 부력은 로터회전수가 증가함에 따라 해저 쪽으로 더 강하게 작용하지만, 해류가 1.2 knot로. Table 1 Calculated pulling forces of a tiller. 알 수 있다. 이것은 해저경운기를 실제 현장에 적. 0 knot. 1.2 knot. 용할 때 발생할 수 있는 문제점을 예상할 수 있. 100 rpm. -17.5882. 53.32. 다. 즉 정지해류일 때에는 로터 회전수가 증가함. 120 rpm. -25.3386. 41.9031. 에 따라 해저토양층에 경운기가 더 박힐 수 있는. 140 rpm. -34.3953. 41.4443. 반면, 해류가 1.2 knot로 흐를 때에는 해저경운기. 100 rpm. 4.35855. 6.12453. 가 더 빨리 부상할 수 있음을 알 수 있다. 따라서. 120 rpm. 6.30986. 7.20094. 해류가 존재할 때 해저경운기를 적절하게 사용하. 140 rpm. 8.56314. 7.03804. 려면, 로터덮개에 대한 새로운 설계방안이 필요하. Items Rotor cover. Rotor. 흐를 때에는 해수면 쪽으로 더 강하게 작용함을. Pulling force,  (N). 다고 판단된다. Table 2 Calculated buoyancy of a tiller Items Rotor cover. Rotor. 4. 결 론. Buoyancy,  (N) 0 knot. 1.2 knot. 100 rpm. -19.6553. 190.932. 120 rpm. -28.1147. 230.822. 140 rpm. -38.0314. 265.878. 100 rpm. 0.74321. -3.72885. 120 rpm. 1.02708. -4.78164. 140 rpm. 1.36095. -5.98868. 로터와 덮개로 구성된 해저경운기를 수중에서 일정 속도로 회전시킬 때 발생하는 벡터 및 속도 크기의 분포를 3차원, 비압축성, 정상상태에서 RLZ k-ε의 난류모델로 수치 해석한 결과는 다음 과 같다. 1) 각 로터회전수에서 형성된 해류의 속도크기 는 로터 깃 끝 부근에서 가장 크게 나타나고, 정 지해류에서 로터내부와 로터덮개 안쪽에 형성된. 한편, 정지해류일 때 로터에 작용하는 부력은. 흐름방향은 해류속도 1.2 knot의 경우와 정반대로. 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월 55.

(9) 해저 토질 개선을 위한 해저경운기 주변의 속도장에 대한 수치해석. 형성된다.. References. 2) 인접한 로터 깃 끝 부근에서는 전형적인 와 류쌍이 나타나며, 그 세기는 로터회전수 증가에 따라 커지며, 정지해류에서의 확산범위가 해류속 도 1.2 knot의 경우보다 약간 크게 형성된다.. 1. N. A. Lybeck, 1913, "Submarine Cultivator and Harvester", US Patent No. 1079182. 2. D. S. Mok and S. H. Mok, 2007, "The Seabed. 3) 로터의 회전수 증가에 따라 정지해류에서해. Soil Improver (In Korean)", Korean Patent No.. 저경운기의 견인력은 상류 쪽으로만 작용하므로. 10-0714056, Korean Seabed Environment Co.,. 전혀 들지 않지만, 해류가 1.2 knot로 흐를 때에는 힘이 하류 쪽으로 작용하여 견인력이 훨씬 많이 든다.. LTD. 3. C. H. Kwoun et al., 2004, "A Study on the Improvement of a Hook for the Collecting of. 4) 해저경운기의 부력은 로터회전수가 증가함 에 따라 정지해류에서는 해저 쪽으로 더 강하게 작용하지만, 해류가 1.2 knot로 흐를 때에는 해수 면 쪽으로 더 강하게 작용한다.. Marine Wastes on the Seabed", Journal of the Korean. Society. of. Marine. Environmental. Engineering, Vol. 7, No. 4, pp. 180-184. 4. J. H. Kim et al., 2012, "Study on Linking a Submerged Marine Litter Collection Project to a. 후 기. Marine Environment and Resources Investigation Project", Journal of the Korean Society of Marine. 본 논문은 국립수산과학원 선박이용 경운 및 로터리 경운장비 개발 고도화 연구용역으로 지원 되었습니다.. Environmental Engineering, Vol. 15, No. 1, pp. 54-65. 5. SC/Tetra(Version 12), 2015, User's Guide, Software Cradle Co., Ltd.. 56 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월.

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