CFD 기반 순환여과 양식시스템 생물학적 여과조의 산기배관 구조 및 공기 부하량 최적화에 관한 연구 = CFD-Based Optimization of Aeration Pipe Configuration and Air Loading Rate in a RAS Biofilter

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 순환여과 양식시스템（Recirculating Aquaculture System, RAS）의 유동상 생물학적 여과조를 대상으로, 산기배관 간격과 공기 부하량 변화가 내부 유동 특성에 미치는 영향을 전산유체역학 （Computational Fluid Dynamics, CFD）을 이용하여 분석하고, 효율적인 산기 조건을 도출하기 위하여 수행되었다. 유동상 생물학적 여과조에서는 산기 시스템에 의해 형성되는 기포 상승류가 내부 순환 유동과 혼합을 유도하며, 이는 여과매질의 부유 및 순환, 산소 공급, 물질 전달에 영향을 미친다. 따라서 산기배관 구조와 공기 공급 조건은 생물학적 여과조의 안정적인 운전과 밀접한 관련이 있다. 본 연구에서는 실제 해수 기반 순환여과 양식시설의 상업 규모 생물학적 여과조 설계 조건을 기반으로 CFD 해석 모델을 구축하였다. 산기배관 간격은 0.7 m, 1.3 m, 1.9 m의 세 조건으로 설정하였고, 공기 부하량은 5, 10, 15 m³/m²·h-1의 세 조건으로 설정하여 총 9개의 해석 Case를 구성하였다. CFD 해석은 Ansys Fluent 2025 R2를 이용하여 수행하였으며, 기-액 이상유동 해석을 위해 이산상 모델（Discrete Phase Model, DPM）과 two-way coupling 기법을 적용하였다. 해석 결과는 유속 분포, 사수구역 비율 （dead zone ratio）, 공기 체적분율（Air Volume Fraction, AVF）, 난류 운동 에너지（Turbulence Kinetic Energy, TKE）를 이용하여 비교하였다. 이때 사수구역은 선행연구에서 제시된 여과매질의 유동 제한 기준을 참고하여, 유속 0.04 m/s 이하 영역으로 정의하였다（Wang et al., 2021）. 해석 결과, 산기배관 간격은 기포 plume 간 상호작용과 내부 순환 유동 형성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 산기배관 간격이 0.7 m인 조건에서는 plume 간 상호작용이 비교적 충분히 형성되어 내부 유동이 안정적으로 유지되었으며, 사수구역 비율도 낮게 나타났다. 반면 간격이 1.9 m로 확대될 경우 plume 간 분리가 뚜렷해지고 유동 연결성이 저하되어 사수구역 비율이 증가하는 경향을 보였다. 공기 부하량의 경우, 공급량이 증가할수록 평균 AVF와 평균 TKE는 증가하였으나, 일부 조건에서는 공기와 혼합 에너지가 산기배관 직상부 및 기포 plume 중심부에 집중되어 공간적 불균일성이 증가하였다. 각 Case의 유동 성능을 종합적으로 비교하기 위하여 dead zone ratio, AVF 통합점수 및 TKE 통합 점수를 이용한 상대평가를 수행하였다. AVF와 TKE는 각각 평균값과 변동계수（Coefficient of Variation, CV）를 함께 고려하여 통합점수로 산정하였으며, 최종 종합점수는 dead zone ratio 0.40, AVF 통합점수 0.30, TKE 통합점수 0.30의 가중치를 적용하여 산정하였다. 이 가중치는 여과매질의 정체 영역을 직접 나타내는 dead zone ratio를 우선적으로 반영하면서도, 공기 분산 특성과 혼합 에너지 형성 특성을 함께 고려하기 위한 상대평가 기준으로 적용하였다. 가중치 적용 전을 기준으로 보더라도, 산기배관 간격 0.7 m 조건은 dead zone ratio가 전반적으로 낮은 범위에 분포하였으며, AVF CV와 TKE CV도 상대적으로 낮은 값을 보였다. 가중치 기반 상대 평가에서는 산기배관 간격 0.7 m와 공기 부하량 15 m³/m²·h-1 조건인 Case 3이 가장 높은 종합점수 를 보였으며, 산기배관 간격 0.7 m와 공기 부하량 10 m³/m²·h-1 조건인 Case 2가 근소한 차이로 그 뒤를 이었다. Case 3은 높은 공기 부하량에 따른 평균 AVF와 평균 TKE 증가가 종합점수에 반영된 조건인 반면, Case 2는 전체 Case 중 가장 낮은 dead zone ratio를 보였고, AVF CV와 TKE CV도 Case 3보다 낮게 나타나 공간적 균일성 측면에서 상대적으로 안정적인 조건으로 해석되었다. 상업 규모 순환여과 양식시스템에서는 생물학적 여과조의 유동 성능뿐만 아니라 블로워 운전 에너지, 장비 용량, 장기 운영비 및 산기 시스템의 경제성을 함께 고려할 필요가 있다. 이러한 관점에서 Case 2는 Case 3보다 낮은 공기 부하량으로 운전 가능하면서도, dead zone ratio, AVF CV 및 TKE CV 측면 에서 안정적인 결과를 보였으므로 본 연구 대상 여과조에 적용 가능한 효율적인 산기 조건으로 판단된다. 이에 따라 본 연구에서는 산기배관 간격 0.7 m, 공기 부하량 10 m³/m²·h-1 조건인 Case 2를 최종 적정 산기 조건으로 제안하였다. 한편 산기배관 간격 1.3 m와 공기 부하량 10 m³/m²·h-1 조건인 Case 5는 공기 분산 및 혼합 특성이 비교적 안정적으로 나타났으며, 배관 구조 단순화와 시공성 측면을 함께 고려할 경우 대안 조건으로 검토될 수 있다. 본 연구 결과는 특정 여과조의 바닥 면적에 한정하여 해석하기보다는, 수심, 산기배관 간격/수심 비 （S/H） 및 단위면적당 공기 부하량의 관계를 중심으로 해석하는 것이 적절하며, 유사한 수심 조건을 갖는 유동상 생물학적 여과조의 산기 시스템 설계 시 참고 자료로 활용될 수 있다. 다만 본 연구에서는 여과매질, 사육수 유입·유출 조건 및 수심 변화가 직접 반영되지 않았으므로, 향후 실제 운전 조건을 고려한 추가 해석과 실험적 검증을 통해 산기 조건의 적용성을 평가할 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study analyzed the effects of aeration pipe spacing and air loading rate on the internal flow characteristics of a moving-bed biological filter in a recirculating aquaculture system （RAS） using computational fluid dynamics （CFD）. The objective was to derive an efficient aeration condition considering both hydrodynamic performance and operational efficiency. In a moving-bed biological filter, bubble-induced upward flow generated by aeration induces internal circulation and mixing, affecting filter media suspension, oxygen supply, and mass transfer. Therefore, the aeration pipe structure and air supply condition are closely related to the stable operation of the biological filter. A CFD model was developed based on the design conditions of a commercial-scale biological filter in an actual seawater-based RAS facility. Aeration pipe spacings of 0.7, 1.3, and 1.9 m and air loading rates of 5, 10, and 15 m³/m²·h-1 were applied, resulting in nine simulation cases. The CFD analysis was performed using Ansys Fluent 2025 R2 with a Discrete Phase Model （DPM） and two-way coupling. The results were evaluated using velocity distribution, dead zone ratio, air volume fraction （AVF）, and turbulence kinetic energy （TKE）. The dead zone was defined as the region where the local velocity was less than or equal to 0.04 m/s, based on Wang et al. （2021）. The results showed that aeration pipe spacing strongly affected bubble plume interaction and internal circulation. Under the 0.7 m spacing condition, plume interaction was sufficiently formed, resulting in stable internal flow and a relatively low dead zone ratio. In contrast, under the 1.9 m spacing condition, plume separation became distinct, flow connectivity decreased, and the dead zone ratio increased. As the air loading rate increased, the mean AVF and mean TKE generally increased; however, under some conditions, air and mixing energy were concentrated near the upper region of the aeration pipes and bubble plume cores, increasing spatial non-uniformity. A relative evaluation was conducted using the dead zone ratio, AVF integrated score, and TKE integrated score. The AVF and TKE integrated scores considered both the mean value and coefficient of variation （CV）, and the total score was calculated using weights of 0.40, 0.30, and 0.30 for the dead zone ratio, AVF integrated score, and TKE integrated score, respectively. These weights were applied as a relative assessment criterion to prioritize the dead zone ratio, which directly represents stagnant regions, while also considering air dispersion and mixing energy formation. Even before applying the weights, the original data showed that the 0.7 m spacing condition generally had a lower dead zone ratio and relatively lower AVF CV and TKE CV values. In the weighted relative evaluation, Case 3, with 0.7 m spacing and 15 m³/m²·h-1 air loading, showed the highest total score, while Case 2, with 0.7 m spacing and 10 m³/m²·h-1 air loading, followed with only a small difference. Case 3 showed high mean AVF and mean TKE due to the higher air loading rate, whereas Case 2 showed the lowest dead zone ratio among all cases and lower AVF CV and TKE CV values than Case 3, indicating more stable spatial uniformity. In commercial-scale RAS operation, hydrodynamic performance should be considered together with blower energy consumption, equipment capacity, long-term operating cost, and the economic efficiency of the aeration system. From this perspective, Case 2 was considered an efficient aeration condition because it showed stable results in terms of dead zone ratio, AVF CV, and TKE CV while requiring a lower air loading rate than Case 3. Therefore, Case 2, with an aeration pipe spacing of 0.7 m and an air loading rate of 10 m³/m²·h-1, was proposed as the final appropriate aeration condition. Case 5, with 1.3 m spacing and 10 m³/m²·h-1 air loading, showed a higher dead zone ratio than Case 2, but its air distribution and mixing characteristics were relatively stable. In addition, the 1.3 m spacing condition may reduce the number of aeration pipes compared with the 0.7 m spacing condition, providing advantages in terms of piping simplification and constructability. Therefore, Case 2 is suitable when hydrodynamic stability is prioritized, whereas Case 5 may be considered as an alternative condition for commercial-scale facilities where piping simplification and constructability are also important. The results of this study can be interpreted based on the relationships among water depth, aeration pipe spacing-to-water depth ratio （S/H）, and air loading rate per unit area, rather than being limited to the bottom area of a specific biological filter. Therefore, the results may serve as reference data for designing aeration systems in moving-bed biological filters with similar water depth conditions. However, because filter media, influent and effluent flow conditions, and water depth variation were not directly considered in this study, further CFD analyses and experimental validation under actual operating conditions are required.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구배경 1
• 1.1 순환여과 양식시스템(Recirculating Aquaculture System, RAS) 1
• 1.2 생물학적 여과조 2
• 1.3 산기 시스템이 여과조 내부 유동 형성에 미치는 영향 4
• 1.4 산기 시스템 최적화의 필요성 5
• 2. 선행연구 고찰 7
• 2.1 산기 및 폭기 시스템 연구 동향과 CFD 적용 7
• 2.2 산기 조건 변화에 따른 내부 유동 특성 연구 7
• 2.3 기존 연구의 한계 9
• 3. 연구목적 9
• II. 재료 및 방법 10
• 1. 해석 대상 및 여과조 형상 10
• 2. CFD 해석 조건 12
• 3. 경계조건 및 물성치 13
• 4. 해석 조건 설계 14
• 4.1 산기배관 간격 조건 설정 14
• 4.2 공기 부하량 조건 설정 15
• 4.3 해석 Case 구성 17
• 5. 평가 지표 18
• 5.1 유속 분포 (Velocity field) 19
• 5.2 사수구역 비율 (Dead zone ratio) 19
• 5.3 공기 체적분율 (Air Volume Fraction, AVF) 21
• 5.4 난류 운동 에너지 (Turbulence Kinetic Energy, TKE) 22
• 5.5 종합평가 방법 24
• III. 결과 29
• 1. Case별 유속 분포 비교 29
• 1.1 산기 조건 변화에 따른 유속 분포 비교 29
• 1.2 평균 유속 및 circulation flow 비교 32
• 2. Case별 사수구역 비교 36
• 2.1 산기 조건 변화에 따른 사수구역 비교 36
• 2.2 dead zone ratio 비교 39
• 3. Case별 공기 체적분율 비교 40
• 3.1 Case별 공기체적분율 분포 및 평균값 41
• 3.2 AVF 변동계수를 이용한 균일성 비교 46
• 4. Case별 난류 운동 에너지 비교 47
• 4.1 Case별 TKE 분포 및 평균값 47
• 4.2 TKE 변동계수를 이용한 균일성 비교 52
• 5. Case별 평가지표 비교 54
• IV. 고찰 및 결론 55
• 1. 유속 분포 특성 분석 55
• 1.1 산기배관 간격 변화에 따른 plume interaction 특성 55
• 1.2 공기 부하량 변화에 따른 circulation flow 특성 57
• 1.3 circulation flow 안정성 해석 59
• 2. 산기 조건 변화에 따른 dead zone 및 유동 불균일 특성 61
• 2.1 산기배관 간격 변화에 따른 dead zone 특성 61
• 2.2 공기 부하량 변화에 따른 저유속 영역 변화 64
• 2.3 dead zone 분포 특성 분석 66
• 3. 산기 조건 변화에 따른 공기 분산 및 혼합 특성 67
• 3.1 AVF와 TKE의 유사한 변화 경향 68
• 3.2 AVF와 TKE 해석 의미의 차이 69
• 3.3 AVF와 TKE 기반 공기 분산 및 혼합 조건 평가 70
• 4. 산기 조건에 따른 최적 설계 조건 도출 73
• 4.1 종합평가 기반 Case별 비교 73
• 4.2 최종 적정 산기 조건 제안 75
• 5. 연구의 적용성 및 한계 76
• 5.1 산기 시스템 설계 관점 적용성 77
• 5.2 향후 연구 방향 78
• 참고문헌