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- 1623 -

서론. Ⅰ

해양 생물이 인공어초 주변에 모(artificial reef)

이는 이유에 관한 다수의 연구는 네 가지 관점에

서 이를 설명하고 있다 첫째 인공어초는 추가적. ,

인 섭이장 을 제공하고 섭이 효율(feeding ground) ,

성을 증가시킨다 둘째 인공어초는 (Seaman, 2008). ,

포식자로부터 피할 수 있는 공간을 제공하여 자

연 서식지보다 높은 생존율을 제공한다(Hixon

셋째 인공어and Beets, 1989; Leitão et al., 2008). ,

초는 내부에 유효 공간을 창출함으로써 서식지의

다양성을 제공한다(Einbinder et al., 2006; Kim

넷째 인공어초는 해양 서식지 복and Na, 2019). ,

원을 위한 잠재적 도구로 활용될 수 있다

(Seaman, 2007).

첫 번째 기능과 관련한 인공어초의 중요한 물

인공어초 후류역을 증가시키는 두 가지 관점

김동하 정소미 나원배

부경대학교 학생( ) 부경대학교 교수( )

Two Perspectives for Increasing of Artificial Reef Wake Region

Dongha KIM Somi JUNG Won-Bae NAㆍ ㆍ

Pukyong National University(student)ㆍ Pukyong National University(professor)

Abstract

Wake region of an artificial reefs (AR) is a significant space to recruit marine species around the AR

because the region gathers nutrients and prey (e.g., phytoplankton). Previous studies have focused on

relatively small, simple ARs for the estimation of wake regions. Thanks to progressive artificial reef

industry, nowadays relatively large, complex ARs are being installed on the seabed; hence, it is necessary

to investigate how to secure wake region of those ARs. In this study, the concept of wake volume was

used to estimate the wake regions of five relatively complex artificial reefs (ARs). The element-based finite

volume method was used to estimate wake volume, and its fluctuation due to the size of the ARs and the

inflow velocity was calculated. From the analysis results, it was found that the thickness and area of the

structural members of the ARs are important to secure wake region. However, wake region was not created

if the AR is composed of only a thin steel frame. This indicates that the function of the structural

members of the ARs that blocks the flow is important for the creation of the wake region. In the case of

AR in which a wake region occurs, the AR size (height) has a significant positive correlation with the

magnitude of the wake region, and if the inflow flow velocity is 1.0 m·s-1 or more, a sufficient eddy

currents occur and accordingly no variation in wake volume is observed. Thus, to increase wake region, it

is shown that not only the size of AR, but also the thickness and area of the structural members play an

important role.

Key words : Artificial reef, Water flow, Wake region, Wake volume

Corresponding author: 051-629-6588, [email protected]

(2019 ) .

https://crossmark.crossref.org/dialog/?doi=10.13000/JFMSE.2020.12.32.6.1623&domain=http://english.ksfme.or.kr/&uri_scheme=http:&cm_version=v1.5

- 1624 -

리적 요소는 인공어초 내부 및 주변에 생성된 유

동장 이다(flow field) (Seaman, 2008; Oh et al.,

과 같이 흐름2011; Kim et al., 2019). [Fig 1] (water

은 인공어초 주변에 영양분과 유기물을 운flow)

반함으로 플랑크톤 유충은 상대적으로 고요한 인

공어초 주변에서 휴식을 취하고 영양분과 유기,

물을 섭취할 수 있다 이는 플랑크톤이나 작은 .

물고기의 먹이장으로 활용될 수 있고 따라서 유,

동장이 인공어초에 미치는 영향은 인공어초의 잠

재적 효율성 측정에 활용될 수 있다.

[Fig. 1] Three-stage function of ARs.

인공어초 주변의 대표적인 흐름 특성은 주된

흐름 과 인공어초의 상호작용으(mainstream flow)

로 발생하는 재순환 흐름 그리(recirculating flow),

고 재순환으로 인해 농축된 영양염과 먹이생물이

존재하는 인공어초 하류 영역인 후류역(wake

으로 알려져 있다region) (Al-Bourae et al., 2013).

따라서 후류역의 와류 는 후류역의 개념적 (wake)

배치인 와 같이 다양한 해양 생물을 유인[Fig. 2]

한다 후류역은 인공어초 가장자리의 분리 지점.

에서 시작하는 재순환 또는 역방(separation point) (

향 흐름을 포함하여 속도가 영인 유선으로 둘러)

싸인 영역을 나타낸다 인공어초(Sawaragi, 1995).

는 대부분 날카로운 모서리를 가지므로 난류

성분이 우세하여 일반적으로 레이놀(turbulence) ,

즈수 가 을 초과한다 즉 항력계수가 레(Re) 1000 . ,

이놀즈수와 무관하게 되고 후류(Fox et al., 2004),

역의 크기는 인공어초의 기하학적 특성에 따라

고정된다 이와 같은 후류역의 차원적인 형상을 . 3

시각화하는 것은 후류역의 체적을 추정하는 데

매우 유효하다 하지만 후류체적 을 . (wake volume)

획득하기는 쉽지 않다 따라서 후류길이. (wake

개념이 와 같이 후류역의 특성을 length) [Fig. 2]

나타내는 데 사용되어 왔다(Kim et al., 2014a).

[Fig. 2] A conceptual layout of wake region

(WR) and wake length (WL).

그렇다면 어떻게 후류길이를 산정할 수 있을

까 후류길이는 후류평면에 따라 달라지므로 이?

론적으로 무한개의 후류길이를 산정하는 방법이

존재한다 따라서 후류역을 가장 적절하게 나타.

낼 수 있는 후류평면 을 파악하고 이(wake plane) ,

에 따른 후류길이를 산정할 필요가 있다(Kim et

이는 인공어초의 구al., 2016b; Woo et al., 2018).

조적인 형상과 구성에 따라 매우 종속적인 의사

결정이다 따라서 축소된 모형실험으로 평면 정.

보를 제공하는 입자영상유속계 를 활용한 인(PIV)

공어초 후류역 특성 평가는 때때로 매우 한정적

인 후류특성을 나타낸다.

최근 전산유체역학 및 관련 유동 분석 소프트

- 1625 -

웨어의 개발은 축소된 모형실험보다 상대적으로

적은 노력으로 인공어초 주변의 유동장을 시각화

할 수 있게 한다 따라서 전산유체역학을 활용한 .

인공어초 배치 모델의 다양한 유동장 특성을 분

석하는 연구가 수행되었다(Liu and Su, 2013; Liu

et al., 2013; Kim et al., 2016a; Jung and Na,

이러한 연구는 비교적 단순한 형상을 가지2018).

는 인공어초의 유동장 해석에 국한되었고 후류,

역 특성 또한 특정 후류평면에 한정되었다.

최근 일부 아시아 국가에서는 강철 또는 철근

콘크리트 부재를 활용하여 대형 인공어초가 제작

되고 있다 이들 대형 인공어초는 기존의 인공어.

초보다 크고 더 복잡한 구조 특성을 갖는다 이.

들 어초는 중소형 어초와 같이 산적 또는 평면

분산으로 설치되지 않고 하나의 모듈 단위 로 일( )

정한 간격으로 설치된다(Kim et al., 2008a; Kim

et al., 2008b; Yoon et al., 2016; Han et al., 2020).

이 경우에 인공어초의 구조적 거동과 후류역을

확인할 필요가 있다 이는 일반적으로 사용된 강.

판이 용접을 통해 철골과 연결되기 때문에 연결

부에서 응력집중 현상 등이 발생할 수 있고 비,

교적 큰 간격으로 설치됨으로 개별 인공어초의

후류역이 주변 인공어초의 후류역에 영향을 덜

받기 때문이다 하지만 이들 대형 인공어초의 후.

류역 특성에 관한 연구는 찾아보기 어렵다.

따라서 본 연구의 연구 질문은 비교적 복잡하

고 대형인 인공어초의 후류역을 증대시키는 방법

은 무엇일까이다 이 질문에 답하기 위한 연구목.

적은 우리나라 일반어초로 승인된 가지 복합 인5

공어초의 흐름 특성을 분석하는 것이다 이를 위.

해 첫째 요소기반유한체적법(element-based finite

을 사용하여 유동 해석을 수행하volume method)

였다 둘째 해석을 통해 후류역을 시각화하고. , ,

최근 새로이 도입된 후류체적 개념(Kim et al.,

을 활용2014b; Jung et al., 2016; Kim et al., 2017)

하여 이들 인공어초의 후류역을 후류체적으로 정

량화하였다 셋째 후류역에 미치는 영향을 조사. ,

하기 위해 인공어초의 중요한 기하학적 인자 인(

공어초 높이 와 환경 인자 유속 를 고려하였다) ( ) .

마지막으로 해석 결과를 통해 기하학적 관점에서

후류역을 개선하는 방법에 대해 논의하였다.

연구 방법. Ⅱ

대상 인공어초1.

은 대상 인공어초를 나타낸다 여기서 [Fig. 3] .

은 복잡한 인공어초 를 의미하며 숫자는 “CAR” “ ”

인공어초를 식별하는 번호이다 이들 어초에 사.

용된 재료와 크기는 에 요약되어 있다 .

세 가지 어초 는 콘크리트와 (CAR1, CAR4, CAR5)

구조용 강 으로 제작되었다 예를 (structural steel) .

들면 은 철골이 철근콘크리트 상자 위에 위CAR1

치한다 는 강철 프레임 과 판 으. CAR2 (frame) (plate)

로 은 강철 프레임으로 제작된다, CAR3 .

CAR1 CAR2CAR3

CAR4

CAR5

[Fig. 3] Complex ARs considered in the study.

ID MaterialsApparent Sizes

L (m) B (m) H (m)

CAR1 Concrete, Steel 3.00 2.00 2.60

CAR2 Steel 3.47 2.87 2.08

CAR3 Steel 6.00 4.00 1.00



Materials and apparent sizes of complex

ARs

- 1626 -

해석방법2.

요소기반유한체적법은 다양한 공학 분야 유동

해석에 사용된다(van Dam, 1999; Zakeri, 2009;

Gylys et al., 2012; Liu and Su, 2013; Le et al.,

이는 대수 방정식의 형태2020; Lee et al., 2020).

로 편미분방정식을 나타내고 물리량은 유한차분,

법 또는 유한요소법과 유사하게 격자의 절점에서

계산된다 여기서 (Versteeg and Malalasekera, 1995).

유한체적은 격자의 절점을 포함하는 작은 체적을

말한다 본 연구에서는 난류모델과 흐름 . k-epsilon

해석 전용 소프트웨어인 를 사용하여ANSYS-CFX

흐름해석을 수행하였다(ANSYS-Inc., 2009) .

흐름 해석 과정은 다음과 같다 첫째 인공어초. ,

를 유한체적을 사용하여 모형화하였고 유동장의 ,

크기가 해석 결과에 미치는 영향을 분석하여 이

를 의 정육면체로 구성하였다 둘20m×20m×20m .

째 육면체 유동장의 앞면과 뒷면은 각각 흐름의 ,

입구 와 출구 로 설정되었고 입구에서 (inlet) (outlet) ,

초기 유속 2ms-1 인공어초 설계에서 주로 사용되(

는 유속 의 흐름이 유입되는 것으로 가정하였다)

출구에서는 와 같이 유입된 유(Fig. 4a). [Fig. 4b]

체가 출구를 통해 유출되도록 압력 경사를 설정

하였다 왼쪽 오른쪽 그리고 윗면은 와 . , , [Fig. 4c]

같이 대칭 평면으로 가정되었는데 이는 대칭 평,

면 경계에서 거리까지의 유동장이 거울효과20m

로 확장되는 것을 의미한다 바닥면(mirror effect) .

과 인공어초와 유체의 경계는 매끄러운 면으로

가정되었다([Fig. 4d]). 셋째 해석 결과의 정확도,

를 확보하기 위해 요소 크기를 최대 로 제50mm

한하였으며 인공어초에 가까울수록 요소 크기를

작게 설정하였다 또한 정밀도를 높이기 위해 해. ,

의 수렴 기준을 1×10-6으로 선택하고 충족되는 ,

경우에만 해석을 종료하도록 설정하였다. 유체는

연속체인 물 밀도 ( = 997kg·mρ -3 동점성계수 , μ

= 8.899×10-4kg·m-1·s-1 로 가정하였다) .

후류체적은 음의 유체 속도를 갖는 유선을

와 같이 확인한 후 와 같이 이[Fig. 5a] , [Fig. 5b]

들 유선에 해당하는 유한체적의 합으로 계산되었

다 또한 개의 인공어초의 높이. , 5 (H, 2H, 4H, 6H,

와 유속8H) (1, 2, 4, 8 ms-1 에 따른 후류체적의 )

변동을 비교하기 위해 이들 어초의 크기를 높이

에 따라 새로 모형화하여 해석을 수행하였다 따.

라서 개 복합 인공어초의 형식뿐만 아니라 이들 5

어초의 높이 및 유속에 따라서 후류체적의 특성

을 분석하였다.

[Fig. 4] Boundary condition of fluid

domain.

[Fig. 5] Procedure of obtaining a wake volume: (a)

flow streamlines with negative velocity and

(b) corresponding finite volumes.

- 1627 -

결과 및 고찰. Ⅲ

에서 인공어초 주변의 흰색은 후류체

적을 나타낸다 가 . CAR5 59m3의 가장 큰 후류체

적을 나타내고, CAR4(23.17m3), CAR1(0.72m3 이 )

그 뒤를 따른다 이 세 가지 인공어초는 콘크리.

트와 구조용 강을 사용하여 제작된 어초이다 여.

기서 주목할 것은 강판 또는 프레임으로만 제작

된 인공어초 는 상대적으로 더 작은 (CAR2, CAR3)

후류 체적(0.24m3 및 0m3 을 갖는다는 것이다 이 ) .

특성은 사용된 재료의 기하학적 배열로 설명할

수 있다 즉 콘크리트의 경우 최근 개선된 제작 . ,

방식에 의해 구조용 강과 함께 복잡한 구조형식

도 제작할 수 있으며 구조용 강보다 저렴하므로 ,

더 넓거나 두꺼운 구조 부재로 활용될 수 있다.

따라서 그리고 는 와 CAR1, CAR4, CAR5 CAR2

보다 넓고 두꺼운 구조부재로 구성되어 있CAR3

다 이와 같은 기하학적 특성은 물의 흐름을 방.

해하는 기능을 하며 이로 인해 더욱 큰 후류체적

을 형성한다.

에 후류역이 생성되지 않는 이유는 구조CAR3

적 요소로 설명할 수 있다 다른 인공어초와는 .

달리 에는 판과 같은 구조부재가 없다 즉CAR3 . ,

상대적으로 얇은 구조용 강철 프레임만으로는 물

의 흐름을 막아주는 메커니즘을 갖지 못한다 여.

기서 주목할 것은 의 경우 구조형식이 CAR2

보다 훨씬 단순해 보이지만 각 모서리에 CAR3 ,

개의 강판이 있어 물의 흐름을 막아 와류를 발12

생하고 흐름이 재순환되도록 도와준다, .

은 후류역이 발생하는 인공어초[Fig 6] (CAR1,

의 높이 변화CAR2, CAR4, CAR5) (2H, 4H, 6H,

에 따른 후류체적의 변동을 나타낸다 선형 8H) .

상관 결정계수(R2 가 을 초과하는 것으로 나타) 0.7

났으며 이는 인공어초 높이와 후류체적 간의 유

의한 양의 상관관계를 나타낸다 차 다항식으로 . 3

추세선을 설정하면 상관 결정계수는 거의 이 1.0

되는 것을 알 수 있으며 이 결과는 해석에서 인,

공어초의 크기를 배 배 배 배 증가시키는 2 , 4 , 6 , 8

것으로 인공어초의 높이를 증가시켰기 때문이다.

따라서 후류체적은 인공어초의 크기 변화에 매우

민감하게 반응함을 알 수 있다 의 경우는 . CAR3

크기 또는 높이 를 변화하여도 후류체적이 생성( )

되지 않음을 확인하였으며 따라서 에 나, [Fig. 6]

타내지 않았다. 또한 여기서 주목할 것은 , [Fig.

에서 선형 추세선의 기울기가 6c(CAR4)] [Fig.

보다 크다는 것이다 이는 가 6d(CAR5)] . CAR5

를 개 적층하여 제작되었고 층간 사이에 CAR4 2 ,

흐름이 흘러나가는 통로가 있기 때문이다 따라.

서 크기 높이 가 증가할수록 이 두 인공어초의 ( )

후류체적의 성장률은 다르다.

은 후류역이 발생하는 인공어초[Fig. 7] (CAR1,

의 유입 유속 변화에 따른 CAR2, CAR4, CAR5)

후류체적의 변동을 나타낸다 후류체적은 유속 .

변화에 따라 변동이 없음을 알 수 있다 이는 앞.

서 설명했듯이 인공어초가 비교적 날카로운 모서

리를 가지므로 레이놀즈수가 을 초과하고1000 ,

따라서 흐름의 격리점 을 기준으(separation point)

로 충분히 난류가 생성되고 있음을 의미한다(Fox

따라서 환경인자인 유입 유속은 후et al., 2004).

류체적에 영향을 주지 않는다.

앞에서 에서 후류체적이 생성되지 않는 CAR3

이유는 해당 인공어초에 흐름을 막아주는 판과 ,

같은 구조 요소가 부재하기 때문이라고 설명하였

다 따라서 비교적 얇은 구조용 강철 프레임만으.

로는 역방향 흐름으로 정의되는 후류역을 생성하

는 와류가 충분히 발생하지 않았음을 알 수 있

다 이를 확인하기 위해 의 프레임 사이에 . CAR3

구조용 강판을 추가하여 해석을 수행하였다 해.

석 결과 와 같이 후류역 흰색 이 발생하[Fig. 8a] ( )

였다 이와 같은 결과는 인공어초의 후류역을 확.

보하기 위해서는 판과 같은 구조형식이 매우 중

요함을 의미한다 또 다른 대안은 의 내부. CAR3

에 특정 구조형식을 채우는 것이다 이를 위해 .

에 다수의 구 를 채우고 해석을 수행CAR3 (sphere)

하면 와 같이 후류역이 생성됨을 알 수 [Fig. 8b]

- 1628 -

있다 실질적으로 은 어패류와 해조류의 증. CAR3

식을 위해 이들을 내부에 채운 채 설치됨으로,

적절한 천연바위를 혼재하여 설치한다면 후류역

을 생성할 수 있을 것이다.

Shape Wake Volume

CAR1

WV = 0.72m3

CAR2

WV = 0.24m3

CAR3

WV = 0.00m3

CAR4

WV = 23.17m3

CAR5

WV = 59.00m3

Wake volumes of complex ARs

[Fig. 6] Effect of AR height of H, 2H, 4H, 6H,

and 8H) on WV: (a) CAR1, (b) CAR2,

(c) CAR3, (d) CAR4, and (e) CAR5.

- 1629 -

[Fig. 7] Effect of inlet flow velocity (1, 2, 4, and

8ms-1) on WV.

[Fig. 8] Wake volumes of modified CAR3s by (a)

adding steel plates and (b) installing

natural boulders.

우리나라의 인공어초설치기준에는 후류역에 관

한 지침이 부재하므로 다수의 인공어초는 설계단

계에서 후류역에 관한 고찰 없이 설치되었을 가

능성이 매우 크다 따라서 과 같은 구조형. CAR3

식을 갖는 인공어초의 후류역을 점검할 필요가

있다 또한 새로 개발될 인공어초의 경우 이 연. ,

구에서 제안한 후류체적 산정 방법을 사용한다면

축소된 모형실험에 의존하지 않고 비교적 손쉽게

후류체적을 확인할 수 있다.

이 연구에서는 어초의 크기 높이 와 유입 유속( )

에 따른 인공어초 후류역의 변동을 살펴보았는

데 이외에도 유속 방향 수심 표면 걸치기 등과 , , ,

같은 환경인자를 고려하여 후류체적의 변동성을

살펴볼 필요가 있다 또한 현재까지 후류체적을 . ,

실험적으로 측정하는 실험방법이 제안되지 못했

기에 본 연구에서 제안한 후류역 평가 방법을 실

험적으로 재현 또는 검증 하는 연구가 필요하다( ) .

결 론. Ⅳ

본 연구에서는 비교적 복잡한 인공어초 종의 5

후류역을 추정하기 위해 후류체적의 개념을 사용

하였다 후류체적을 추정하기 위해 요소기반유한.

요소법을 활용하였으며 인공어초의 크기와 유입 ,

유속 크기에 따른 후류체적 변동을 산정하였다.

해석 결과로부터 후류역을 확보하기 위해서는 인

공어초 구조 요소의 두께와 면적이 중요함을 알

수 있었고 만일 인공어초가 얇은 강철 프레임으,

로만 구성되면 후류역이 생성되지 않음을 발견하

였다 이는 후류역 생성을 위해서는 흐름을 막아.

주는 인공어초 구조 요소의 기능이 중요함을 의

미한다 후류역이 발생하는 인공어초의 경우 크.

기 높이 와 후류역의 크기는 유의한 양의 상관관( )

계를 가지며 유입 유속이 , 1.0m·s-1 이상이면 와류

가 충분히 발생하여 유입 유속의 증가에 따른 후

류체적의 변동은 없음을 확인하였다 따라서 후.

류역을 증가시키기 위해서는 인공어초 크기뿐만

아니라 인공어초를 구성하는 구조 요소의 두께와

면적이 중요한 역할을 한다고 할 수 있다.

- 1630 -

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Received : 03 November, 2020

Revised : 24 November, 2020

Accepted : 04 Deecember, 2020

인공어초 후류역을 증가시키는 두 가지 관점AbstractⅠ. 서론Ⅱ. 연구 방법Ⅲ. 결과 및 고찰Ⅳ. 결론References

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