코안다 방식을 고려한 심해저 망간단괴 채집장치의 노즐형상에 따른 유동특성 연구

Abstract

심해저 망간단괴는 고부가가치의 광물인 니켈, 코발트, 구리의 함량이 높으며 수심 3000~5000m에 분포되어 있는 대표적인 심해저 광물이다. 심해저 망간단괴는 함수율이 높은 해저표층의 퇴적층에 분포하고 있다. 심해저 퇴적층은 매우 미세한 입자로 구성되어 있으면 전단응력이 5~10 kPa로 매우 낮음에도 불구하고 접착력이 매우 높아 기계장치의 마모는 물론 고장의 원인이 되고 있다. 또한 심해저 퇴적층은 심해저 생태계와 밀접한 관련이 있어 생태계의 파괴 및 교란을 최대한 억제할 수 있는 채집방법이 필요하다. 대표적인 수압식 채집장치는 노즐로부터 높은 수압을 분사시켜 해저면으로부터 단괴를 분리하여 채취하는 방법으로 장치의 신뢰성이 높고 퇴적층의 교란을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 수압식 채집장치 중 물제트 방식은 분사각도를 조정하여 단괴를 정밀하고 효과적으로 부양시킬 수 있는 장점이 있으나 이를 이송시키기 위해서는 추가적인 장치가 필요한다. 이러한 점을 보완한Coanda노즐방식은 곡면을 따라 흐르는 제트 유동의 압력강하 원리를 이용하여 심해저 표층에 있는 단괴를 부양시킬 수 있으며 집광로봇 내부로의 단괴이송이 용이한 장점이 있다. 하지만 이 방법의 경우에 망간단괴는 물론 많은 양의 퇴적물이 함께 유입되는 문제가 있다. 이를 개선하기 위해서 자세 제어가 용이한 자항식 집광기에 적용될 경우, 채집장치와 해저면 사이의 간격을적절히 조정할 수 있고 그에 맞는 적절한 유동판의 곡률 및 유량과 노즐의 형상을 선택할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 Coanda효과를 고려한 망간단괴 채집장치를 고려하여 노즐형상 및 간격에 따른 3차원 유동특성을 비교, 분석하고자 한다.