축사 환기팬 후류의 풍에너지 평가 및 기류 형상의 전산유체역학 모델링

홍세운,이인복,서일환,권경석,하태환,황현섭,Hong, Se-Woon,Lee, In-Bok,Seo, Il-Hwan,Kwon, Kyeong-Seok,Ha, Tae-Hwan,Hwang, Hyun-Seob 한국농공학회 2012 한국농공학회논문집 Vol.54 No.5

The objectives of this paper were to evaluate the wind flow behind the livestock ventilation fan for small-scale wind power generation and to make flow profiles of imaginary ventilation fan for future simulation works. The field experiments using typical 50-inch fan indicated that the wind flow behind the ventilation fan had a good possibility of power generation with its high and steady wind speeds up to a distance of 2 m. The expected electricity yield was almost 101~369 W with a small (0.8 m radius) wind turbine. The decline of ventilation fan performance caused by the obstacle was also not significant with about 4 % from a distance of 2 m. The flow profiles for the computational fluid dynamics (CFD) simulation was created by combining the direction vectors analyzed from tuft visualization test and the flow predicted by the rotating fan modeling. The flow profiles are expected to provide an efficient saving of computational time and cost to design a better wind turbine system in future works.

과수원용 스프레이어의 농약 살포 및 비산 예측을 위한 전산유체해석

홍세운,김락우,Hong, Se-Woon,Kim, Rack-Woo 한국농공학회 2018 한국농공학회논문집 Vol.60 No.3

Effective pesticide applications are needed to assure the quality and economic competitiveness of fruit production and lower the risk of spray drift. Experimental studies have shown that better spray coverage and less driftability require an understanding of the transport of spray droplets within turbulent airflows in the orchard and the interaction between droplet dynamics and tree canopies. This study developed a computational fluid dynamics (CFD) model to predict pesticide flows in the orchard and spray drift discharged from an air-assisted orchard sprayer. The model represented the transport of spray droplets as well as droplets captured by tree canopies, which were modeled as a conical porous model and branched tree model. Validation of the CFD model was accomplished by comparing the CFD results with field measurements. Spray depositions inside tree canopies and at off-target locations were in good agreement with the measurements. The resulting data presented that 38.6%~42.3% of the sprayed droplets were delivered to the tree canopies while 13.6%~20.1% were drifted out of the orchard, part of them reached farther than 200 m from the orchard. The study demonstrates that CFD model can be used to evaluate spray application performance and spray drift potential.

데이터 기반 모델에 의한 온실 내 기온 변화 예측

홍세운,문애경,리송,이인복,Hong, Se Woon,Moon, Ae Kyung,Li, Song,Lee, In Bok 한국농공학회 2015 한국농공학회논문집 Vol.57 No.3

Internal air temperature of greenhouse is an important variable that can be influenced by the complex interaction between outside weather and greenhouse inside climate. This paper focuses on a data-based model approach to predict internal air temperature of the greenhouse. External air temperature, solar radiation, wind speed and wind direction were measured next to an experimental greenhouse supported by the Electronics and Telecommunications Research Institute and used as input variables for the model. Internal air temperature was measured at the center of three sections of the greenhouse and used as an output variable. The proposed model consisted of a transfer function including the four input variables and tested the prediction accuracy according to the sampling interval of the input variables, the orders of model polynomials and the time delay variable. As a result, a second-order model was suitable to predict the internal air temperature having the predictable time of 20-30 minutes and average errors of less than ${\pm}1K$. Afterwards mechanistic interpretation was conducted based on the energy balance equation, and it was found that the resulting model was considered physically acceptable and satisfied the physical reality of the heat transfer phenomena in a greenhouse. The proposed data-based model approach is applicable to any input variables and is expected to be useful for predicting complex greenhouse microclimate involving environmental control systems.

간척지 내 단동형 온실의 풍하중에 대한 구조 안정성 분석

홍세운,김락우,최원,Hong, Se-Woon,Kim, Rack-Woo,Choi, Won 한국농공학회 2017 한국농공학회논문집 Vol.59 No.4

Coastal reclamation has created large flat lands, part of which is an attractive site to construct greenhouse complexes for the horticulture industry. Wind environments over these coastal lands are entirely different from those of the inland area, and demand increased structural safety. The objective of this study is to evaluate the structural safety of two single-span greenhouses, peach type and even-span type, under the wind characteristics of coastal reclaimed lands. The wind pressure coefficients acting on the walls and roofs of two greenhouses were measured by wind tunnel experiments, and those acting on the roofs were approximately two times larger than those suggested by the existing design guidelines. Consequently, structural analysis conducted by SAP2000 showed that greenhouse structures designed by the existing guidelines might lead to structural failure under coastal wind conditions because their maximum allowable wind speeds were lower than the design wind speed. Especially, the peach type greenhouse constructed in a reclaimed land could be damaged by approximately 48 % of the design wind speed and needed improvement of structural designs. This study suggested increasing the spacing of rafters with thicker pipes for the peach type greenhouse to enhance economic feasibility of the building under strong wind conditions of reclaimed lands.

축사 환기 기류를 이용한 소형 풍력 발전용 시스템의 개발 및 평가

홍세운 ( Se Woon Hong ),이인복 ( In Bok Lee ),황현섭 ( Hyun Seob Hwang ),권경석 ( Kyeong Seok Kwon ),하태환 ( Tae Hwan Ha ) 한국농업기계학회 2013 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.18 No.1

축산 환기 시스템을 활용한 소형 풍력 발전 시스템 개발

홍세운 ( Se-woon Hong ),이인복 ( In-bok Lee ),황현섭 ( Hyun-seob Hwang ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

풍력 발전은 풍속의 세제곱에 비례하여 에너지를 생산할 수 있으므로 풍속이 높고 일정할수록 높은 발전 효율을 보인다. 풍속이 낮고 변동이 큰 자연풍과 달리 환기팬에 의하여 인위적으로 생성된 기류는 이러한 관점에서 풍력 발전의 최적의 대상이라 할 수 있다. 농업 분야에서 축산 시설에서 사용되는 배기팬은 축사 내부의 유해 가스 배출 등의 목적으로 최소환기 이상의 환기량으로 연중 가동되고 있으므로, 본 연구에서는 이에 의해 형성되는 환기팬 후류의 양질의 바람을 이용하여 효율성을 극대화할 수 있는 소형 풍력 발전 시스템을 개발하고자 하였다. NACA 계열 중 128개의 익형을 대상으로 하여 사전에 분석된 환기팬 후류의 바람 특성에 맞게 블레이드 요소-운동량이론(BEMT)에 따라 블레이드를 설계하고 성능을 평가하였으며, 가장 좋은 성능을 보이는 블레이드를 선정하여 풍력 발전기 제작에 활용하였다. 설계된 블레이드는 전산유체역학 (CFD) 시뮬레이션 해석을 통해 제작 이전에 성능을 사전에 평가하고 설계 세부 사항을 보완하였으며, 최종 설계된 블레이드는 목재를 정밀 가공 (CNC)으로 조각하여 제작하였다. 발전기는 회전자와 고정자로 구성된 3상 동기 발전기로 구성하여 성능을 평가하였다. 축산 농가에서 주로 사용하는 50 인치 직경의 환기팬을 사용하여 풍력 발전기의 성능을 측정한 결과, 풍력발전기를 환기팬으로부터 0.5m 거리에 위치시키고, 교류 부하기의 저항을 조절하여 전압을 27V 정도로 되도록 회전수를 유지시켰을 때 264W의 전기 출력을 얻을 수 있었다. 이 값은 풍력 발전기에 투입되는 바람의 에너지, 즉 환기팬의 소비전력인 1 kW의 약 27%에 해당하는 값이다. 또한 이 과정에서 발생한 환기팬에서의 부하는 사전 실험을 통하여 상당히 작은 것으로 판단되었다. 현재 풍력 발전량을 증대시키기 위하여 블레이드의 설계를 변경하고 발전기의 형태를 변경하는 과정이 진행 중이며, 이를 통하여 30% 이상의 효율을 목표로 하고 있다.

전산유체해석을 이용한 과수원의 농약 비산 거리 추정

홍세운 ( Se-woon Hong ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

농약 살포 과정에서 살포의 균일성과 효율성은 분사된 농약액이 목표 농작물에 도달하여 고르게 도포되었는지를 판단하는 중요한 지표이다. 또한 목표를 벗어난 농약액이 대기 중으로 비산되어 주변 환경, 수자원, 생태계 및 사람에 피해를 일으키는 농약의 비산 문제는 지속적으로 풀어나가야 할 과제이다. 과수원에서 발생하는 농약의 비산은 바람환경을 포함한 기상, 과수의 종류, 농약 살포 방법, 살포량 등의 다양한 인자에 따라 변화하며, 본 연구에서는 다양한 기상환경, 과수 환경, 농약 살포 과정에 따른 농약의 살포 효율성과 비산 거리를 추정할 수 있는 모델을 개발하였다. 농약액은 살포기의 노즐로부터 수∼수백 마이크론 크기의 물방울 형태로 분사되며, 과수원 내외의 복잡한 바람 흐름에 따라 이동한다. 과수원 내외의 바람의 난류 흐름과 물방울의 공기역학적 거동에 따른 이동은 전산유체역학 시뮬레이션을 이용하여 해석하였다. 농약액 입자들이 과수의 잎에 침착되는 과정과 대기 중에서 증발하는 현상은 수학적 모델에 의해 해석하였다. 24,000개의 환경 조합에 대하여 전산유체역학 시뮬레이션을 수행하고 해석된 결과로 데이터베이스를 구축하였으며, 이를 기반으로 그래픽 사용자 인터페이스를 개발하였다. 본 연구에서 개발된 프로그램은 다양한 기상, 과수, 농약 살포 조건에 대하여 농약 살포의 효율성과 비산 거리 및 비산에 의한 토양, 수자원, 사람에 대한 영향 가능성을 추정하여 제시한다.

축사 배기팬을 이용한 소형 풍력 발전 시스템의 개발 및 평가

홍세운 ( Se-woon Hong ),이인복 ( In-bok Lee ),서일환 ( Il-hwan Seo ),권경석 ( Kyeong-seok Kwon ),하태환 ( Tae-hwan Ha ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

풍력 에너지는 저탄소, 친환경적인 이미지의 신재생 에너지로서 각광받고 있으며, 풍력 에너지를 축산 시설의 배기구에서 인공적으로 조성된 연중 지속적이고 고속인 한기 기류에 접목함으로써 풍력 에너지의 활용 방안을 제시하고, 더불어 최근 에너지 비용 상승으로 힘든 축산 농가에도 경제적인 도움을 줄 수 있다. 이에 따라 본 연구의 목적은 풍력에너지를 활용하여 축산 농가의 사육비를 절감할 수 있는 축산 농가 보급형 소규모 풍력 발전 시스템을 개발하는데 있다. 환기팬 후면의 복합한 기류의 프로파일을 얻기 위하여 tuft flow visualization 실험을 진행하고 이미지 분석을 통하여 기류의 방향 측정하였다. 이는 전산유체역학 시뮬레이션의 경계조건으로 활용되어 환기팬을 직접 모의하지 않고도 동일한 기류를 모의할 수 있는 편의를 제공한다. 분석된 기류를 기반으로 익요소운동량이론(BEMT)으로 블레이드의 형상을 설계하였다. 일반적으로 BEMT는 균일한 풍속 분포에 대한 설계방법을 제공하지만, 본 연구의 불균일한 기류 분포에 맞춰 BEMT의 설계 방법을 수정하여 도입하였다. 128개의 NACA 계열 익형을 대상으로 모두 설계를 진행한 후 최적화 과정을 통하여 최적의 성능을 보인 NACA63(2)-615 익형을 선정하였으며, 이에 대한 설계안을 선택하여 실제 제작에 적합하도록 보완하였다. 풍력 터빈용 블레이드는 컴퓨터가공을 이용하여 목재와 에폭시 수지로 각각 제작하였다. 발전기는 영구자석을 사용한 동기식 3상 교류발전기를 제작하였으며, 많은 실험을 거쳐 성능을 보완하였다. 전력 변환부와 전력 출력부는 풍력 터빈과 발전기가 최적의 출력을 낼 수 있도록 시행착오를 거쳐 제작되었으며, 타워부는 시스템의 구조적 안정성, 경제성, 심미성 등을 고려하여 디자인되었다. 이 외에도 디스플레이, 냉각팬 등의 악세사리를 구성하여 제품의 완성도를 높이고자 하였다. 풍력 발전 시스템을 제작하여 현장에 설치하고 성능을 측정한 결과, 풍력 발전 시스템은 안정적으로 300W의 전기를 생산하여 환기팬이 외부로 배출하는 약 1 kW 미만의 에너지 중 약 30% 정도를 다시 회수하여 가용 에너지로 변환하는 것으로 나타났다. 실제 발전기에서 전송되는 전기는 330W 정도로 나타났지만, 약 10% 정도가 전력 변환 과정에서 손실된 것으로 판단되었다. 또한 이러한 과정에서 기존의 환기 시스템의 부하를 측정한 결과 환기팬의 구동과 소요 전력에는 변화가 없었으며 환기량만 약 1.5 % 정도 감소하는 결과를 보여, 기존 환기팬으로의 부하는 거의 없는 것으로 판단되었다. 최종 풍력 발전 시스템의 활용 방안에 대하여 다각도로 모의하고 그 경제성을 분석하였으며, 풍력 발전 시스템에서 생산된 전기 에너지를 조명 장치와 연계하였을 때 가장 좋은 경제성을 보였다. 풍력 발전 시스템의 초기 투자비와 운영비를 고려하였을 때, 약 5년 만에 모든 비용을 회수하고 매년 약 800,000원 정도의 이익을 발생시킬 수 있는 높은 경제성을 보였으며, 가장 적절한 방안이라고 판단되었다.

공기유동해석에 의한 축산 차량소독시스템의 방역 효율성 평가

홍세운 ( Se-woon Hong ),이세연 ( Seyeon Lee ),정한나 ( Hanna Jeong ),박진선 ( Jinseon Park ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

구제역, 조류독감 등 전염성 가축 질병은 해마다 극심한 경제적·물질적 피해를 입히고 있으나, 아직 감염경로 파악을 통한 효과적인 방제는 이루어지지 못하는 실정이다. 국내의 “구제역 방역실시요령” 등의 행정규칙에서는 축산 농장을 출입하는 차량과 축산 기자재 및 장비 등에 대한 세척과 소독을 의무적으로 시행하도록 규정하고 있으며, “축산법 시행령”에서는 사육 시설 면적이 300m² 이상인 농장에서는 차량 출입구에 터널식 또는 고정식 차량 소독시설의 의무설치 규정이 존재한다. 하지만 축산 농가를 출입하는 차량은 그 크기와 형태가 다양한데 반해 대부분의 축산 농가와 지자체에서 보유하고 있는 차량소독시스템들은 차량의 종류와 관계없이 노즐의 위치 및 분사 형태가 일정하게 작동하므로 차량의 종류에 따라 균일한 소독 효과를 기대하기 어렵다. 또한 소독 설비의 표준 설계도나 운영에 대한 가이드라인이 없으며, 실제 사용되고 있는 다양한 형태의 차량소독시스템들은 소독 효과와 효율성이 검증되지 않은 실정이다. 본 연구는 공기유동해석을 이용하여 축산 농가에서 널리 사용되고 있는 차량소독 시스템의 소독액 분사 효율성을 평가하고 다양한 종류의 축산 관련 차량에 적합하도록 분사시스템의 노즐 배열 및 운영 방법을 개선하는 것을 최종 목표로 한다. 이를 위한 기초 연구로서 축산 차량소독시스템의 국내 실태를 조사하고, 현장실험을 통해 대표적인 차량소독시스템의 소독 효과와 문제점을 평가하였으며, 이를 해결하고 개선안을 제시하기 위한 전산유체역학 시뮬레이션의 초기 모델을 제시하고 검증하였다. 본 연구의 현장실험에서는 터널형과 간이형의 두 가지 형태의 차량방역시스템을 소독 효과를 감수시험지를 사용하여 측정하였으며, 소독기에 의한 표면 도포율은 터널식은 약 92%로 매우 우수하였고 간이식은 33%로 매우 낮게 나타났다. 특히 간이식 소독시스템은 모든 차량 형태에 대하여 차량의 상부와 하부 및 바퀴 주변에서 낮은 도포율을 보이므로 개선의 여지가 있는 것으로 판단되었다. 사료차의 경우는 다른 형태의 차량에 비하여 소독의 효과가 매우 떨어지는 것으로 측정되었으며, 특히 차량 상부에서는 거의 소독액이 도포되지 못하였다. 현장 실험의 제한된 분석을 보완하기 위하여 전산유체역학 시뮬레이션 모델을 설계하였으며, 복잡한 형태의 차량 형상을 단순화하여 전산유체역학 모델을 구성하는 설계 방법을 구축하였다. 시뮬레이션 모델은 현장실험 결과와 비교하여 검증하였으며, 노즐에서 분사된 소독액 입자들이 차량 표면에 도포된 효과를 시공간적 도포 분포를 통해 제시할 수 있었다. 검증된 모델은 추후 연구를 통해 노즐의 배치와 운영 방법을 개선하는데 활용될 예정이다.

드론 방제 시 농약 비산에 영향을 미치는 주요 요인 분석

이세연 ( Se-yeon Lee ),박진선 ( Jinseon Park ),최락영 ( Lak-yeong Choi ),( Kehinde Favour Daniel ),홍세운 ( Se-woon Hong ),유승화 ( Seung-hwa Yu ),이춘구 ( Chun-gu Lee ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

농약은 작물 생산성 향상을 위해 해충과 잡초를 효과적으로 방제하는 중요한 역할을 한다. 그러나 살포된 농약의 약 50% 이상이 살포지역을 벗어나 비산되며, 농작물에 도달하지 못하는 많은 양의 농약들은 경제적 손실과 생태·환경·보건적 문제를 초래한다. 이러한 농약 비산은 살포 장비, 작물의 종류 및 생장 정도, 기상 조건 및 농약액 입자의 크기와 공기역학적 특성 등 다양한 요인들의 복잡한 상호작용에 의해 발생한다. 특히 드론을 이용한 항공방제 시에는 바람과 드론 하향풍에 의해 형성된 복잡한 난류로 인해 비산 과정이 더욱 복잡해지며 이에 따라 농약 비산에 대한 위험성이 더 크다고 밝혀져 있다. 따라서 항공방제에 의한 농약 비산량을 정량적으로 측정하여 비산에 미치는 주요 요인을 파악하고, 비산 메커니즘을 이해하는 것이 매우 중요하다. 하지만 기존 연구들은 모든 영향 요인들을 종합적으로 측정하는 것이 어려워 일부 요인들에만 초점을 맞추어 연구되어 왔으며, 특히 정량적인 비산량을 현장에서 실측하여 분석한 연구가 매우 부족하다. 따라서 본 연구에서는 드론 방제 시 발생하는 비산 메커니즘을 종합적으로 이해하기 위해 비산에 영향을 미치는 다양한 변수들과 함께 비산량 및 퇴적량을 정량적으로 측정하고, 비산 요인을 규명하였다. 이를 위해 전라남도 나주시에 농약 장거리 비산 연구를 위한 국내 유일 테스트 필드를 구축하였고, 작물 및 기상조건, 드론 운용 조건, 노즐 및 약액 종류에 따른 대상 작물 경계에서의 비산량, 경계로부터 거리별 비산량 및 퇴적량을 정량적으로 측정하여 총 50개의 비산 측정 데이터베이스를 구축하였다. 이후 드론 방제 시 농약의 비산에 영향을 미치는 변수를 도출하고, 요인을 분석하여 기존 연구들의 결과와 비교 및 평가하였다. 본 연구 결과는 드론을 활용한 농약 방제 기술의 확립과 농약 비산 최소화 방안의 개발에 기여할 수 있고, 환경과 보건 측면에서도 긍정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 기대된다.