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- 저자 : 엄덕호 ( D. H. Um ) (검색결과 4 건)
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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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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
최근 이상기후로 인한 가뭄의 빈도가 증가되고 피해면적도 따라서 증가되고 있다. 한 예로 (‘18)6월 강수량은 57.1mm인데 비해 증발량은 151.8mm로 커짐에 따라 소규모 밭작물의 경우 용수 공급과 소비가 매우 불균일하였다. 따라서 밭작물의 피해면적은 매년 증가되어 (’18)18.4천ha에 이르고 콩의 경우 수확량은 30%가 감소되었다. 뿐만 아니라 누적강우량도 2015년에는 61%로 줄어들어 밭작물의 용수절감 기술의 개발은 시급한 실정이다. 지금까지 용수공급은 지표면 관수가 주류였으나 최근에는 물부족에 대한 대응으로 지중관수의 필요성이 크게 증가되고 있다. 지중관수는 스프링클러 대비 28% 용수가 절감되고 관개노력비도 30%가 경감되는 것으로 알려져 있다. 그러나 용수공급에 있어서 토양 내부의 수분이동에 대한 관련연구가 부족하여 단위 시간당 적정 용수량 공급의 기초적인 자료가 미비한 실정이다. 본 연구에서는 2가지의 토양을 기준으로 지중관수 방법에 의한 토양의 수분이동에 대한 확산연구를 수행하였다. 지중관수를 통한 지중의 수분양상을 파악하기 위해 구성한 실험장치는 Main line에 연결된 3개의 지관(Lateral line)은 각각 간격을 1.5m로 설치하였다. 각 Line에는 1m간격으로 2L/H, 4L/H, 8L/H의 Botton type 관수기를 5개 꽂았다. 그리고 각 관수기별로 지중 아래 30cm위치에 세관을 설치하여 수분이 Drip되도록 장치를 구성하였다. 이와 같이 지중에 수분을 공급하는 실험은 토층의 손상이 가지 않도록 장치를 구성하는 것이 매우 중요하다. 만약 토층이 흐트러지면 습윤 양상은 크게 달라지고 정확한 수분의 이동을 파악하기 어렵다. 따라서 토양의 입도구성이나 유기물 등의 물리성도 수분의 확산에 큰 영향을 주지만 무엇보다 토층이 교란될 경우에는 근원적으로 토양내부의 수분 이동이 매우 불규칙하게 된다. 본 연구에서는 실험조건이 제한된 토양 즉, Soil bin 또는 온실에서 시험함으로서 실제 노지의 토양과 차이가 발생될 가능성이 있다.
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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
지중관수시 토양 내부의 수분확산에 사용한 토양은 미사질양토와 사질토이며, 미사질양토는 통일분류법상 명칭이 SW-SC(Well-graded sand with clay, silt loam)이며, 점토 섞인 입도양호한 모래를 말한다. 사질토는 통일분류법상 명칭에서 SP(Poorly graded sand)로 나타나 입도가 균일하지 않고 불량한 모래로 규정되었다. 지중관수시 토양내부의 수분이동은 토양의 공극, 물리성, 토양경도, 유기물함량, 함수비 등에 따라 크게 달라진다. 실제 노지에서 지중관수시 토양수분 확산을 구명하는 것은 매우 까다롭다. 노지에서는 강우에 의해 함수비가 높아지면 토양의 수분영역이 불확실해 지는 경향이 있다. 지중의 수분 이동에 가장 큰 영향을 미치는 것은 토층이며, 토층의 파괴없이 수분의 이동을 측정하는 방법은 지중관수이후 최종 습윤양상을 찾아 수분의 공급량에 따른 습윤이론을 구명하는 것이 그나마 비교적 정확하다고 판단된다. 선행연구(김진현, 2005, 바이오시스템공학회지 30권 2호)에서는 Soil bin을 이용하여 토양의 내부에 온도센서를 매설하고 토양을 다진 후 수분을 공급한 실험에서는 공급수분의 체적보다 무려 6~7배 확산되었다. 토양 내부의 수분확산의 또 다른 영향은 초기함수비와 토양경도에 따라 크게 달라진다. 본 연구에서는 토양의 초기함수비가 낮고, 강우의 영향이 없는 Soil bin과 온실의 토양을 사용하였는데 장점은 최종습윤 영역이 잘 나타나는 점이며 경도에 영향을 받아 확산성은 다소 줄어드는 것으로 나타났다. 지중관수시 토양의 수분 확산을 완벽하게 구명하기는 불가능하다. 실험에서 대표할 수 있는 토양의 표준조건이 없을 뿐만 아니라 노지의 토양자체가 자연조건에 따라 큰 차이를 나타내기 때문이다. 따라서 본 연구에서 사용한 토양과 실험의 조건에 제한된 상태에서 수행되었다.
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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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