소형 풍력 발전을 위한 축산 배기팬의 후류 평가

홍세운 ( Sewoon Hong ),이인복 ( Inbok Lee ),( J. P. Bitog ),송상현 ( Sanghyeon Song ),이성복 ( Sungbok Lee ),김용희 ( Yonghee Kim ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

풍력 발전은 풍속의 세제곱에 비례하여 에너지를 생산할 수 있으므로 풍속이 높고 일정할수록 높은 발전효율을 보인다. 풍속이 낮고 변동이 큰 자연풍과 달리 팬에 의하여 인위적으로 생성된 기류는 이러한 관점에서 최적의 적용 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 배기팬 후류의 양질의 바람을 발전에 사용하고자 발전 가능성 및 발전 시 배기팬에 나타날 수 있는 부하의 가능성을 사전에 평가해 보고자 하였다. 축산 농가에서 주로 사용되고 있는 50인치 배기팬을 사용하여 실험을 한 결과, 배기팬으로부터 약 3 m정도 거리에서 약 5~7 m/s의 풍속이 유지되었으며, 5 m 이후부터는 풍속이 약 4 m/s 이하로 급격히 감소되는 것으로 나타났다. 배기팬 뒤에 장애물을 설치하여 장애물에 의한 부하를 측정한 결과, 배기팬의 1 m 뒤에 장애물 판을 설치한 경우에는 약 20% 정도의 배기유량이 감소되는 결과를 보였으나, 거리가 증가함에 따라 그 부하는 점차 감소하였다. 배기팬의 소비전력 또한 약 1 m 거리일 때에는 10 % 정도 증가하였지만, 그 이후의 거리들에서는 약 5 % 미만으로 점차 부하는 감소하는 결과를 보였다. 약 3 m 정도의 거리에서는 배기유량과 소비전력에서 장애물이 없을 때와 비교하여 약 5 % 내외의 차이를 보이고 있으며, 실험에 사용된 장애물 판에 비하여 실제 풍력 터빈은 솔리디티가 훨씬 작으므로 부하에 의한 역효과는 더욱 감소할 것으로 예상된다. 이러한 풍력 발전의 가능성에 따라 적정 풍력 터빈의 형상과 위치 등을 결정하고자 전산유체역학 시뮬레이션 툴을 사용하여 배기팬에서 형성되는 복잡한 후류를 모의하고자 하였다. 해석 결과의 검증과 보정을 위하여 실험을 통하여 배기팬 후류의 수평적 풍속 분포를 측정하였고, 배기팬 후면에 다수의 짧은 실을 프로브로 설치하여 유동을 가시화하였다. 실험을 통하여 측정된 수직, 수평적 풍속 분포들은 시뮬레이션에 의한 기류 분포와 비교하여 배기팬에서 생성되는 기류의 프로파일을 생성하는데 활용되었다.

노지 토양 침식 방지를 위한 방풍 펜스의 공력 특성 분석 및 배치에 따른 효과 분석

홍세운 ( Sewoon Hong ),이인복 ( Inbok Lee ),김락우 ( Rakwoo Kim ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

Soil erosion by wind due to global warming and thereby desertification is considered as an important issue in arid and semi-arid regions. The soil erosion was brought up from the loss of sand in beach but agricultural land also raised concerns for the soil loss on the bare ground after harvesting. Especially agricultural land may result in a loss of crop production function by blowing valuable loam away when the desertification accelerates the soil erosion in dry field. The wind-blown soils are also scattered and dispersed to nearby residential and productive areas causing the negative problems in human health and animal production. Therefore, this study presents the effect of windbreak fences and their arrangement to prevent the loss of soils and their dispersion. The aerodynamic porosity of screens of the fence was measured by the small wind tunnel equipment and the computational fluid dynamics simulation was utilized to analyze the wind speed reductions by the windbreak fences. The simulation models were also validated in advance by wind tunnel experiments. The small wind tunnel equipment was designed to measure the porosity and aerodynamic resistance of the screen of the windbreak fence. The screen was also overlapped into several layers and the repetitive measurements provided two factors representing the aerodynamic resistance : C₂ = 0.8529 * n and 1/α = 0.3466 * 10⁵ * n where n is the number of layer, and C₂ and α are the inertial resistance and the permeability of the Darcy-Forchheimer equation, respectively. The experiment using the large scale wind tunnel located at the Rural Development Administration was also conducted to validate design factors of the CFD model and computed results. By comparing the simulated and measured wind speed distribution near the windbreak fence, the RNG k-ε model was determined as an appropriate turbulence model. The grid size independence test was also conducted and the grid sizes of less than 0.04 m produced reasonable results. The final CFD model simulated the wind speed reduction behind the windbreak fence according to the number of screen layers and the leeward distance from the windbreak fence. The wind speeds on the leeward side derived the equation for the percent of upstream velocity (PUV) by non-linear regression analysis. The regression coefficient was calculated by the continuous genetic algorithm. The PUV model provides the estimation of wind speed reduction by the fence according to the number of screen layers and the leeward distance. It also provide useful data to optimize the arrangement of fences by minimizing the number of fences for soil erosion protection.

농경지에서의 풍식발생량 예측 모델 개발을 위한 실험연구

황현섭 ( Hyunseob Hwang ),이인복 ( Inbok Lee ),홍세운 ( Sewoon Hong ),김민영 ( Minyoung Kim ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

산업혁명 이후 육상 생태계에서 방출된 탄소 총량 중 대부분이 토양침식, 토양 교란, 토양 무기화 등으로 유출되고 있으며, 기후 변화에 의한 풍식 피해 위험도 예측 및 평가 기술 개발 및 이를 통한 풍식 저감 기술 개발이 요구된다. 이에 농경지 풍식 현황을 조사하고 이를 통한 영향 분석을 실시하며, 기존 풍식량 예측 공식을 통하여 우리나라 지형에 맞는 예측 공식을 제안하고자 하였다. 이에 연구의 기초 단계로 연구 대상 지역의 풍환경 및 토양 환경 분석을 실시하고 기존 풍식량 예측 공식 중 영향 인자를 선정하여 풍동 실험을 수행하였다. 기초 단계의 연구 결과는 다음과 같다. 연구 대상 지역으로 선정된 지역은 강원도 평창군에 위치한 고령지 농업연구센터 내 시험 포장이다. 대상 지역의 지난 10년간의 기상관측 데이터를 이용하여 풍환경을 분석한 결과 풍향은 서풍(W)이 우세 풍이었으며, 서서북(WWN)풍, 서서남(WWS)풍이 높은 빈도를 보였다. 평균 풍속은 약 4m/s 이었으며, 일평균 최대 풍속은 13.3m/s이었으며, 무풍 빈도는 약 7.3%로 분석되었다. 연평균 강수량은 약 1,709mm이며, 봄철은 4월, 가을은 10월에 강수일이 적은 것으로 나타났다. 연구 대상 지역의 토양 환경을 분석하기 위하여 토양 시료를 채취하여 실험실에서 분석한 결과, 토양의 함수비는 18.08%, 건조 후 단위 중량은 1.29 g/㎤로 매우 낮게 측정되었다. 또한 바람에 의해 풍식을 일으킬 수 있는 빈도가 높은 입자인 0.84mm 입경이하의 비율은 27.1%로 나타났다. 현장에서 채취된 시료를 이용하여 토양 블록(200×200×100mm)을 제작하여 풍식량 예측 모델에서 풍식성 인자(I)를 선정하여 재산정 하는데 중점을 두어 풍동 시설을 이용하여 수행하였다. 환경조건으로는 풍속, 토양 함수율, 토양 시료, 토양 입경이며 총 135 case를 수행하였다. 풍속에 따른 토양 유실 량을 보면, 4m/s 풍속까지는 거의 변화가 없었으며, 6m/s 이상 바람이 불어올 경우 큰 폭으로 토양 유실이 나타나는 것으로 분석되었다. 현장의 토양 함수비 18%와 풍식 발생할 수 있는 최소 풍속인 6m/s 조건하에서 단위면적당 약 68g의 토양이 유실되는 것으로 분석되었다. 토양의 입경별 유실 량을 측정하여 내풍식성 인자(I)를 선정하고 현장 실험을 통하여 신뢰도를 향상하고자 하였다. 강원도 평창군 지역의 기상 분석을 통하여 기존 풍식 기후 인자(C')를 우리나라 조건에 맞도록 수정하였으며, 풍식성 인자(I)를 포함하여 지난 10년간의 풍식량을 예측한 결과 2003년의 경우 약 0.1 Mg/ha 이 발생하였을 것으로 예측되었으며, 2001년에 1.6 Mg/ha로 가장 많이 발생된 것으로 예측되었다.

신시-야미도 매립 공사 현장의 비산 먼지 영향 예측

황현섭 ( Hyunseon Hwang ),이인복 ( Inbok Lee ),홍세운 ( Sewoon Hong ),서일환 ( Ilhwan Seo ),( Jessiepascualpiog Bitog ),권경석 ( Kyeongseok Kwon ),김용희 ( Yonghee Kim ),최지선 ( Jisun Choi ),송상현 ( Sanghyeon Song ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

신시-야미도 매립공사 지역에서는 공사 진행 되면서 현장으로부터 야미도로 유입되는 비산 및 부유 먼지로 인하여 인근 주민과의 마찰이 예상되었다. 매립공사의 면적은 약 200ha로서 연구 시기는 2009년 12월 매립공사가 완료되는 시점까지 수행하였다. 본 연구는 1. 야미도에의 마을에 영향을 미치는 풍향 및 풍속을 파악하고, 2. 그 위험 기상 조건으로 중심으로 농도 지수를 표현하여 이를 분석하였다. 또한, 민원 대비의 목적으로 사람의 시야 및 영향 정도를 고려할 수 있도록 지상 1m 높이의 조건에서 이를 비교하였다. 매립공사로 인한 영향을 분석한 결과는 다음과 같다. 현장 기상분석 결과, 야미도 마을로 유입되는 유입풍의 발생빈도가 매우 낮았으며, 그 중 빈도가 높은 시기는 우기와 밤과 새벽 시간으로 마을 주민에게 직접적인 영향이 매우 적을 것으로 판단되었다. 공사가 이루어지는 매립지에서 멀어질수록 입자의 농도가 감소하는 경향을 보이고 있으며, 각 지점의 경우 농도는 TSP가 200~400 ㎍/㎥ 범위이었으며, PM10은 95~200 ㎍/㎥로 나타났으며, 최대 농도를 보이는 측정지점은 매립공사가 이루어지는 현장 내부에서 나타났다. 그 원인으로 매립지 공사 지역에 측정 지점이 위치하고 있어 차량 및 공사 장비의 작업과 이동에 의하여 발생된 먼지들이 포집된 것으로 판단된다. 1m 높이에서 분석한 시뮬레이션 결과, 높은 풍속보다 낮은 풍속에서 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 확산 거리는 퐁속이 높을수록 더 멀리 확산되는 것으로 나타났다. 이는 10㎛ 입경 분석 결과에서도 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 10㎛ 입경의 비산거리는 낮은 풍속에서 경계에서부터 약 300m 내에서 침착되는 것으로 나타났다. 신시-야지 매립 공사의 야미도 주거 지역에 대한 영향빈도 분석 결과, 풍향에 따라 남(S)> 남동(SE)>남서(SW) 로 나타났다. 현장 측정에서 남풍(S), 남동풍(SE)의 빈도가 낮으므로, 실제 야미도 주거 지역으로 유입되는 비산 먼지는 매우 적을 것으로 판단된다. 풍속이 높아지면서 먼지가 상승기류와 함께 더 높은 높이로 비산되는 것으로 파악되었다. 또한, 대부분 남풍이 피해가 크게 주는 것으로 나타났으며, 다음이 남동, 남서로 나타났다. 유입풍이 불어올 경우 발생된 먼지의 40% 정도가 마을을 통과하는 것으로 분석되었다.

공기 중 바이러스 포집 장비의 효율성 평가 및 운용방안 제시

하태환 ( Taehwan Ha ),이인복 ( In-bok Lee ),홍세운 ( Sewoon Hong ),서일환 ( Ilhwan Seo ),권경석 ( Kyeong-seok Kwon ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

축산 산업에서 구제역, 고병원성 조류독감, 돼지생식기호흡기증후군과 같은 전염병에 의한 경제적 손실은 심각한 실정이다. 2010년 11월에 발병한 구제역의 경우 그 경제적 피해가 약 3조원에 달하며 이는 연간 축산 산업 생산액의 23%에 달하는 수치이다. 최근 축산 산업의 거대화 및 집중화 등으로 인하여 질병 감염의 위험성은 증가하고 있는 실정으로 질병의 전파를 분석하기 위해서는 직접 접촉뿐만 아니라 공기 중 전파와 같이 간접적인 요인들도 고려해야 한다. 축산질병의 공기 중 전파의 가능성은 1900년대 초에 제시되었으나 현장 실험을 통한 공기 중 질병의 전파에 대한 연구는 현재도 어려운 실정이다. 게다가 현장에서의 공기 중 바이러스를 검출하기 위한 적정 실험법도 정립되어 있지 않다. 따라서 이번 연구에서는 공기 중 바이러스를 검출하는 장비들의 효율성을 평가하고자 한다. Air-sampler, Bio-sampler, Compact-Cascade-Impactor(CCI), Microflow 및 Passive sampler에 대해서 돼지생식기호흡기증후군(PRRS) 바이러스를 대상으로 검출 성능을 비교하는 실험을 진행하였다. 실험을 통해 얻어진 시료는 RT-PCR 분석법으로 바이러스 농도를 분석하였으며 분석을 통해서 얻어진 Agarose Gel 이미지를 밝기 강도에 따라서 다섯 등급으로 분류하여 각 장비의 바이러스 검출 효율성을 분석하였다. 모든 실험 케이스에서 Air-sampler와 Bio-sampler가 다른 장비들에 비하여 보다 효과적인 것으로 확인되었다.

CFD 기술을 활용한 2-D 구조에서의 환기 효율 분석 방법 개발

권경석 ( Kyeongseok Kwon ),이인복 ( Inbok Lee ),한화택 ( Hwataek Han ),신철용 ( Chulyong Shin ),홍세운 ( Sewoon Hong ),황현섭 ( Hyunseob Hwang ),서일환 ( Ilhwan Seo ),( J. P. Bitog ),유재인 ( Jaein Yoo ),김용희 ( Yonghee Kim ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-

In researches related to ventilation of agricultural facilities, it is very important to conduct quantitative analysis with visualization of the aero-fluid patterns to evaluate its ventilation system. Recent ventilation researches have been using a new concept to quantitatively study the ventilation effectiveness; where the duration for air to remain inside the structure is considered. The "age of air" concept which is used to study ventilation efficiency was established by Sandberg (1981, 1983, and 1992). According to Sandberg, ventilation efficiency is higher if the time of fresh air to reach the spaces of the ventilated room delivers a shorter LMA and LMR values. The LMA and LMR parameters are used to evaluate the fresh air distribution and the ventilation system’s potential in exhausting contaminants inside the structure. As a basic approach to the quantitative study of the total or local ventilation efficiency in agricultural facilities, a 2-dimensional chamber structure was designed for casual analysis, making the inlet steadily fixed and the outlet being varied according to the investigated case. The total and local ventilation rates and its characteristic were analyzed based on the LMA and LMR theory. Computational fluid dynamics (CFD) technology which is a powerful tool in studying aero-dynamics especially on the ventilation mechanism and material transfers was employed in this study. The User define function (UDF) of CFD was used to compute the LMA and LMR values in every time step using the C language. A tracer gas approach following the pulse method was also used. The methodology as well as the results in this study was verified with the ventilation theory of Han et al. (1992, 1999). Theventilation efficiency and the ventilation characteristics were thoroughly investigated.

돼지 소모성 질병 저감을 위한 현장 맞춤형 양돈사육환경 개선방안

서일환 ( Ilhwan Seo ),이인복 ( Inbok Lee ),황현섭 ( Hyunseob Hwang ),홍세운 ( Sewoon Hong ),( Jessie Pascual Bitog ),유재인 ( Jaein Yoo ),권경석 ( Kyeongseok Kwon ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-

Livestock disease is now one of the international concerns which greatly affect the mortality and productivity of livestock. The typical diseases for pig in Korea are PED, PRRS, PMWS, and PRDC often called as 4Ps. Pig respiratory disease such as PRRS, PMWS, and PRDC caused by many factors such as viruses, hygiene, rearing condition, management, etc. So far, no vaccine to prevent all kinds of the pig respiratory disease has been available. However, it can be effectively reduced by controlling the internally environmental condition that includes air temperature, humidity, noxious gases, aerosol, etc. A field experimental result showed that pig respiratory disease occurred at the locations where poor thermal stability and uniformity were observed because of poor ventilation design and operation. However, the field experiment has limitations such as measuring points, unstable and uncontrollable weather condition, etc. To complement the limitations, a three-dimensional computational fluid dynamic model was developed which showed 1.5% error compared with the results of the field experiment. Using this model, some factors of fourteen ventilation designs were quantitatively investigated such as thermal condition as well as local and regional ventilation efficiencies. A CFD result showed that the uniformity, suitability, and stability of the thermal condition was enhanced by 36%, 38%, and 32% respectively when a duct inlet system was used with six uniformly installed exhausting outlets. And another field experiment with application of the upgraded model also showed that the pig respiratory disease can be reduced by controlling the ventilation system.