Modeling Paddlewheel-Driven Circulation in a Culture Pond

축제식 양식장에서 수차에 의한 순환 모델링

Paddlewheel-driven circulation in a culture pond has been simulated based on the depth integrated 2 dimensional hydrodynamic model. Acceleration by paddlewheel is expressed as shaft force divided by water mass discharged by paddlewheel blades. The model has been calibrated and applied to culture ponds as following steps:- i) The model predicted velocities at every 10 m along longitudinal direction from the paddlewheel. The model was calibrated comparing the results with the measured values at mass correction factor $\alpha$ and dimensionless eddy viscosity constant $\gamma$, respectively, in a range $15\~20$ and 6. ii) Wind shear stress was simulated under conditions of direction $0^{\circ}C,\;90^{\circ}C\;and\;180^{\circ}C$ and speed 0.0, 2.5, 5.0 and 7.5 m/s. Change rate of current speed was <$1\%$ at wind in parallel or opposite direction to the paddlewheel-driven jet flow, while $4\%$ at orthogonal angle. iii) The model was then applied to 2 culture ponds located at the Western coast of Korea. The measured and predicted currents for the ponds were compared using the regression analysis. Analysis of flow direction and speed showed correlation coefficients 0.8928 and 0.6782 in pond A, 0.8539 and 0.7071 in pond B, respectively. Hence, the model is concluded to accurately predict circulation driven by paddlewheel such that it can be a useful tool to provide pond management strategy relating to paddlewheel operation and water quality.

축제식 양식장에서 수차에 의한 순환효과를 재현하기 위해 수치모형을 개발하였다. 수치모형의 지배방정식으로는 2차원 수심적분 Reynolds 방정식을 사용하였고, 수차에 의한 가속도는 축력을 수차날개에 의해 밀려가는 유체의 질량으로 나눈 값으로 산정하였다. 수치모형을 적용하여 1대의 수차를 작동하고서 수차로부터 직선방향 loin 간격으로 관측된 유속자료와 비교하였다. 모형의 보정을 위해 유량보정계수와 무차원 와점성계수의 민감도를 실험하였다. 유량보정계수는 본 연구에서 처음 제시된 항으로 실험결과 15와 20에서 모형의 결과가 관측값과 가장 유사하였다. 유량보정 계수는 관측자료가 없거나 관측이 용이하지 않을 경우 효과적으로 사용할 수 있으며, 특히 수치실험에서 수차에 의해 발생하는 복잡한 수리특성을 비교적 단순하게 처리할 수 있다는 장점이 있다. Reynolds 응력을 Boussinesq 근사로 표현하는 녈 연구에 서 무차원 와점성계수는 6이 가장 적당한 것으로 계산되었다. 바람에 의한 전단효과를 파악하기 위해 유향 $0^{\circ}C,\;90^{\circ}C,\;180^{\circ}C$ 그리고 풍속 0, 2.5, 5와 7.5m/s 조건의 경우를 비교하였다. 풍향이 수차에 의한 제트류 방향과 평행하거나 정반대일 경우 유속변화는$1\%$ 이하이나, 제트류에 직각으로 향할 경우 제트류 좌우의 와류는 풍향에 따라 위치가 뚜렷이 바뀌며, 유속은 약 $4\%$까지 감소하는 것으로 나타났다. 유속변화 $4\%$는 바람응력 외에 호지의 기하학적 평면구조 혹은 변장비 등에 따른 효과도 포함하는 것으로 생각되었다. 호지에 미치는 바람에 의한 유속변화가 $4\%$ 이하인 것으로 보아, 바람웅력의 영향은 매우 미약한 것으로 나타났다. 그러나 호지의 기하학적 특성과 관련한 와류형성 기구에 대해서 바람이 미치는 효과는 무시할 수 없는 것으로 생각되었다. 모형은 또한 축제식 양식장 2곳에 적용하였다. 양식장 호지 A와B는 각기 변장비 1.05와 0.68, 면적 1.02ha와 0.66ha 그리고 평균수심 1.2m를 갖는다. 각각의 호지에 수차 4대를 작동하고서 관측된 유속과 수치모형을 적용한 계산결과를 회귀 해석하였다. 호지A에서 유향 및 유속의 상관계수는 각기 0.8928, 0.6782이며 호지 B의 경우 각기 0.8539, 0.7071인 것으로 나타났다 따라서 본 연구에서 사용된 모형은 호지의 순환특성을 비교적 잘 재현하였으며, 향후 수차운영과 양식호지의 수질관리에 관한 유용한 도구로 사용될 수 있을 것으로 생각하였다.