전산유체역학을 이용한 간척지 온실의 풍압 계수 평가

황현섭 ( Hyunseob Hwang ),이인복 ( Inbok Lee ),김동우 ( Dongwoo Kim ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

우리나라는 연중 고품질의 안정된 농작물 생산을 위하여 1995부터 시설 재배가 보편화되고 있으며 현재 운영 되고 있는 시설의 약 81% 정도는 사용 연수가 15년 이상 경과하여 구조적인 측면에서 매우 취약한 실정이다. 또한, 전체 시설 중 98%를 차지하고 있는 플라스틱 필름 온실의 경우, 재료특성 상 노후화 및 기상재해에 대하여 매우 취약하며 또한 연동형 온실의 경우 그 측고가 낮아 생산성을 저하시키는 요소로 작용한다고 다수 보고된바 있다. 한편, 최근 기후 변화에 따라 크고 작은 태풍의 발생 빈도가 증가되는 추세이며, 실제로, 2012년 태풍 볼라벤에 의한 농가의 피해액은 약 2,300억 원으로 보고된바 있다. 간척지의 경우 해안에 인접해 있고, 풍 환경이 내륙과 다르기 때문에 기후 변화에 따른 강풍 피해에 대비하기 위하여 온실의 구조적 안정성에 대한 평가 및 이에 따른 대책 마련이 필요하다. 따라서 간척지 지역 입지 온실의 풍 환경에 대한 구조적 안정성 평가를 위하여 온실 피복에서의 풍압 측정을 통한 풍압 계수 산정이 선행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 전산유체역학 기법을 이용하여 벤노 연동형, 와이드 스펜 연동형,1-2w 연동형 온실 유형에 대하여 간척지 풍 환경 조건에 따른 풍압 계수 산정을 실시하였다. 모델에 대한 검증은 축소 온실모형을 이용한 풍동 실험을 통해 실시하였으며, 이때 간척지 지역에 대한 풍 환경 모사를 위하여 ESDU 기법을 이용하여 해당 지역의 풍속 프로파일을 작성하여 경계층을 설계하였다. 시뮬레이션모델의 검증 및 설계 방안 도출을 위하여 풍동 실험 결과를 토대로 시뮬레이션 모델의 격자 크기, 난류 모델, 연직 풍속 프로파일의 설계 방안에 대한 검토를 실시하였다. 풍동 실험의 결과를 토대로 도출된 CFD 모델의 최적 설계 조건은 격자 크기는 0.2m와 난류 모델은 SST k-ω 모델로 대상온실을 분석하였을 때 일치도가 약 0.97 로 평가 되었다. 이와 같이 검증과정으로 통하여 도출된 설계조건을 이용하여 다양한 온실 분석에 대하여 풍압 계수 분석을 수행하였다. 풍향이 측벽과 수직하게 불어올 때 CFD 시뮬레이션을 통하여 분석한 벤노형 온실의 정압면, 부압면의 평균 풍압 계수는 약 0.7, -0.2로 산정되었으며, 연동이 늘어날수록 정압 면에서의 풍압 계수 변화는 미미하였으나, 부압 면에서는 감소하는 경향이 나타났다. 연동형 온실의 다양한 환경조건으로 풍하중에 대하여 연구를 수행하고 있으며, 이는 향후 온실설계 기준의 기초 자료로 활용할 예정이다.

간척지 설치 온실의 풍압 계수 산정을 위한 CFD 모델 설계

황현섭 ( Hyunseob Hwang ),이인복 ( Inbok Lee ),김동우 ( Dongwoo Kim ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

Recently, occurrence of the huge typhoon has been frequent than past, considerable number of greenhouse was damaged by the gust over the scale of 20m/s wind at typhoon OLGA in 1999 and MAEMI in 2003. In addition, economic loss of agricultural area by the typhoon BOLAVENin 2012 reported about 0.2 billion dollar. In case of the reclaimed land, it is located near the sea area thus the wind environment is different from that of inland area. The evaluation of the structural stability of greenhouse and preparation plan are needed against strong wind environment. Accordingly, the measurement and analysis of wind pressure coefficient of the outer material of the greenhouse should be studied where built in the reclaimed land. In this paper, the evaluation of the wind pressure coefficient was studied using the CFD technology according to the various conditions such as type of green house and wind environment. The validation of CFD simulation model was conducted through the wind tunnel experiment and the realization of the vertical wind profile in the reclaimed land was carried out using the ESDU program. Based on the experimental results of wind tunnel, the grid size, turbulence model and design of wind profile were considered in the CFD simulation model to enhance the reliability of the computation. Computed average wind pressure coefficient of windward and leeward surface of the greenhouse were about 0.55 and -0.45 respectively. Induced proper CFD design method from the comparison of wind tunnel result was follows as; size of grid was 0.2m, standard k-ω turbulence model had a more accuracy and the designated distance of wind profile zone in the computational domain was recommended as 4H of height of greenhouse. IOA value was evaluated as 0.753, implying that the CFD model was designed reliably.

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.

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.

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.