해수 연직프로파일 관측을 위한 부이 베인 설계의 수치해석

Abstract

2007년 9월에 한국해양연구원은 황해 중부해상에 황해중부부이를 계류하였다. 황해중부부이는 표층수온, 염분, 해류, 해상풍 등 20여 가지의 해양 및 기상자료를 실시간으로 제공함으로써, 기상예보 및 해양 수치모델의 입력 및 검증자료를 비롯한 폭넓은 활용이 기대된다. 여기에 더하여 해수의 연직프로파일을 관측하기 위한 시스템이 구축 중에 있다. 연직프로파일 관측시스템은 일정 시간마다 CTD를 부이로부터 내려 관측을 수행하게 된다. 이를 위해서는 CTD 관측라인이 부이의 계류라인에 의해 간섭 받지 않아야한다. 이는 부이 하부에 베인을 설치하여 유속에 대해 부이의 방향을 안정되게 유지함으로써 해결 가능하다. 베인은 부이의 하부에 위치하고 있으며 유향에 따라 부이의 자세를 제어하게 된다. 부이는 계류라인과 닻을 통해 해수면 바닥에 고정되어 있기 때문에 부이의 움직임은 계류라인의 길이와 자유도에 의해 제한된다. 부이가 유향에 따라 빠른 시간 안에 방향을 잡지 못하면 회전 운동이 반복되며 계류라인을 비롯, 기타 관측장비들이 엉키거나 간섭하게된다. 다양한 유향에 대해 신속하게 반응하며 효율적인 동작을 하기 위해서는 효과적인 베인의 설계가 필요하다. 베인의 주 운동은 부이의 중심축 모멘텀에 의한 Z(높이)-축 중심의 회전이동이다. 따라서 중심축에서 멀리 연장될수록 더 많은 모멘텀을 받게 된다. 그러나 과도한 면적의 베인은 큰 항력을 받으며 구조적으로도 용접부와 주변 구조의 안정성에 영향을 주게 된다. 베인의 크기와 형상에 대해 특정한 기준을 정하는 것은 어렵다. 그러나 해류의 특성, 유향, 유속 등의 요소들에 따라 상대적으로 적합한 형상을 제안하는 것은 가능하며 필요한 일이기도 하다. 본 연구는 직경 10m인 황해중부부이의 적합한 베인 형상을 설정하기 위해 필요한 기초자료를 마련하고 실제 설계에 참고 가능한 의미있는 데이터를 제시하고자 한다.