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전산수치해석을 활용한 지중점적관수장치 압력보상기능 구현 및 디자인 요소 평가
김설하 ( S. H. Kim ),모형욱 ( H. U. Mo ),김승환 ( S. H. Kim ),김진현 ( J. H. Kim ),엄덕호 ( D. H. Um ),이상훈 ( S. H. Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2
지중관수시 다수 식물 뿌리에 균등하게 일정한 유량(물)이 공급되어야 하며, 이를 위해선 지중관수장치에서 식물 종류, 발육 환경 및 토양 등의 조건에 따라 적절한 압력보상능력이 작동되어야 한다. 또한, 경작지의 높낮이 변화에 의한 수압차이 또는 관수 펌프 시스템의 섭동에 따른 압력변화에 대응하여 일정한 유량 공급을 위해 다수의 유관 업체 및 연구기관에서는 최종적으로 설계된 지중관수시스템에 초탄성 소재인 실리콘 고무를 넣어 압력보상기능을 활용해왔다. 본 연구에서는 국내에서 상용개발된 지중점적관수 시스템의 압력보상 성능을 전산유체역학과 구조응력-변형계산을 통하여 확인하고, 향후 개발된 디자인 요소들의 평가에 적용하기 위한 해석 기법 개발을 수행하였다. ANSYS CFD-Mechanical (2Way-System Coupling 기능)을 이용하여 계산 과정 중 유체영역(물)의 속도-압력 정보가 고체(실리콘 고무)의 응력 및 변형률 해석에 전달되며, 동시에 고체의 변형 정도가 유체의 유로에 영향을 주게 되는 동시상호교환적인 계산을 수행하였다. 현재, 해당 실리콘 고무의 정밀한 탄성계수-응력 간의 자료가 부족한 관계로 측정된 경도값을 기반으로 Gent’s 상관식을 도입, 탄성재질로의 가정 하에 계산을 수행하였다. 본 계산 결과에 따르면, 장치 내부로의 유입 압력이 커짐에 따라 실리콘 고무의 유의미한 변형을 관찰할 수 있었으며, 이를 통한 추가적인 유동 저항을 해당 범위의 압력강하 증가로 확인하여 압력보상 현상을 구현하였다. 유량-압력강하 성능 곡선을 도출하여, 압력보상범위 (50kPa, ~4L/hr)를 수치해석 결과로 확인하였으며, 이는 실제 상용개발된 지중관수장치의 범위 (100kPa, ~2L/hr)와 근소한 차이가 있다. 향후, 실리콘 고무의 정밀한 물성치를 측정하고 계산의 정확도를 향상시키는 전략을 통해 차이를 줄일 것이며, 이를 기반으로 추가적인 관수시스템 장치 내 세부 디자인 요소들의 평가에 활용할 계획이다.
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김진현 ( J. H. Kim ),김태욱 ( T. W. Kim ),김설하 ( S. H. Kim ),이황규 ( W. K. Lee ),엄덕호 ( D. H. Um ),이상훈 ( S. H. Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2
지중관수의 근본적인 목적은 용수를 절감하고 수분이 작물의 뿌리에 충분히 공급하기 위함이다. 그러나 지중관수를 통하여 뿌리가 수분을 충분히 공급받았는지에 대해서는 토양을 파서 수분을 확인하기 전에는 알 수가 없다. 그래서 농민들은 비록 관수효율이 낮아도 지표면에 흥건히 공급하는 경향이 있다. 지표면 관수는 증발로 인해 약 30~40%의 수분이 소실되고 지표면 이외의 세근이 몰려있는 근권까지 공급하려면 더 많은 용수를 공급해야 가능하다. 지중관수는 여러 연구에서 용수의 절감과 수확의 증대 부분은 확인이 되었다. 그러나 동일한 용수를 공급하더라도 용수의 효율을 높이기 위해 단위시간당 얼마의 량을 공급하는 것이 적절한지에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 주된 이유는 토양의 물리성에 따라 표준화가 불가능하고 관수의 공급 방법과 데이터의 수집 등에서 오차가 늘 발생할 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 미사질양토와 사질토에서 지중 30cm 내부에 4000cc를 2L/H, 4L/H, 8L/H의 Botton type 관수기를 통하여 공급하였을 때, 작물생육에 적용하기 가장 유리한 것은 2L/H라는 것을 확인하였다. 따라서 2L/H의 관수기에서 4000cc 이상 공급할 경우를 예측하여 재배작물(콩)의 생육시기별 근권에 가장 적합한 용수의 공급방법을 설계하였다. 콩의 생육시기는 뿌리가 수직으로 30~40cm 정도 성장하는 크기를 중심으로 설정하였다. 따라서 파종후 10일, 20일, 30일의 근권에 지중관수 용수의 공급을 설계하였다. 토양습윤 양상은 미사질양토와 사질토 모두 단위시간당 공급량이 작을수록 지표면 가까이 상승하므로 생육 초기와 중기까지 단위시간당 용수 공급량이 2L/H가 가장 유리하였다. 파종 후 10일에는 8000cc의 공급도 가능하였고, 20일에는 5000~6000cc, 30일 이후에는 4000cc의 용수가 공급되어도 충분할 것으로 판단되었다.
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