공력 저항 측정기를 이용한 방풍펜스 방진막의 공기 투과 저항력 측정

김락우,이인복,홍세운,황현섭,손영환,김태완,김민영,송인홍,Kim, Rack-Woo,Lee, In-Bok,Hong, Se-Woon,Hwang, Hyun-Seob,Son, Young-Hwan,Kim, Tae-Wan,Kim, Min-Young,Song, Inhong 한국농공학회 2013 한국농공학회논문집 Vol.55 No.6

Recently, damage occurrence by wind erosion has been increasing in society. In times past, such problems only took place in desert area ; however, in recent years, the wind erosion problem is spreading out to agricultural land. Wind erosion in agricultural land can cause loss of loam soils, the disturbance of the photosynthesis of the crop fields and serious economic losses. To overcome the mentioned problems, installation of windbreak fence can be recommended which function as disturbing strong wind and wind erosion. However, there is still no proper guideline to install the windbreak fence and the installation used to rely on the intuition of the workers due to the lack of related studies. Therefore, this study measured the aerodynamic resistance of screens of the windbreak fence using the apparatus for testing screens. The apparatus for testing screens was designed to measure pressure loss around the screen. Measured pressure loss by wall friction compensated for pressure loss to calculate the aerodynamic resistance of screens. The result of pressure loss by regression analysis derived the aerodynamic coefficient of Darcy-Forchheimer equation and power law equation. The aerodynamic resistance was constant regardless of the overlapped shape when the screen was overlapped into several layers. Increasing the number of layers of the screen, internal resistance increased significantly more, and pressure loss caused by the screen also increased linearly when the wind speed was certain conditions, but permeability had no tendency. In the future, the results of this study will be applied to the computational fluid dynamics simulation. The simulation models will be also validated in advance by wind tunnel experiments. It will provide standard of a design for constructing windbreak fence.

돈사 내부 열환경 분포의 공기연령 이론법 적용을 통한 전산유체역학 환기 예측 모델 개발

김락우,이인복,하태환,여욱현,이상연,이민형,박관용,김준규,Kim, Rack-woo,Lee, In-bok,Ha, Tae-hwan,Yeo, Uk-hyeon,Lee, Sang-yeon,Lee, Min-hyung,Park, Gwan-yong,Kim, Jun-gyu 한국농공학회 2017 한국농공학회논문집 Vol.59 No.6

The tracer gas method has an advantage that can estimate total and local ventilation rate by tracing air flow. However, the field measurement using tracer gas has disadvantages such as danger, inefficiency, and high cost. Therefore, the aim of this study was to evaluate ventilation rate in pig house by using the thermal distribution data rather than tracer gas. Especially, LMA (Local Mean Age), which is an index based on the age of air theory, was used to evaluate the ventilation rate in pig house. Firstly, the field experiment was conducted to measure micro-climate inside pig house, such as the air temperature, $CO_2$ concentration and wind velocity. And then, LMA was calculated based on the decay of $CO_2$ concentration and air temperature, respectively. This study compared between LMA determined by $CO_2$ concentration and air temperature; the average error and root mean square error were 3.76 s and 5.34 s. From these results, it was determined that thermal distribution data could be used for estimation of LMA. Finally, CFD (Computational fluid dynamic) model was validated using LMA and wind velocity. The mesh size was designed to be 0.1 m based on the grid independence test, and the Standard $k-{\omega}$ model was eventually chosen as the proper turbulence model. The developed CFD model was highly appropriate for evaluating the ventilation rate in pig house.

돈사 내 열환경 분포를 이용한 공기 연령 이론법 적용

김락우 ( Rack-woo Kim ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

축산업은 농업분야에서 중요한 산업으로 자리매김하고 있으며 축산 시설의 대형화, 현대화 등 다양한 형태로 발전하고 있다. 축산 시설의 현대화 및 대형화와 함께 시설 내부의 균일성, 안정성문제가 대두되고 있으며 생육환경 조절 실패로 생산성 저하, 각종 질병 등이 발생하고 있다. 이에 따라, 축산 시설 내부의 주요 환경 인자의 종합적 조절 인자로서 환기의 중요성 증가하고 있으며 축산 시설 내부의 균일성, 안정성을 유지하기 위하여 환기량을 정확하게 산정할 필요가 있다. 축산 시설 내부의 환기량을 산정하는 방법으로는 크게 유출입 평가 방법과 유동 추적 방법이 있다. 유출입 평가 방법은 유출입구에서의 압력, 수분, 이산화탄소 등의 물리량을 측정하여 간단한 수치모델이나 현장 실험을 통하여 산정할 수 있다. 그러나 유출입 평가 방법은 시설 전체의 환기량 만을 고려하기 때문에 국부적인 환기량을 예측할 수 없다. 이에 반해, 유동 추적법은 유동을 추적하여 시설 전체 환기량과 지역적 환기량을 산정할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 유동 추적법은현장 실험 시 추적 가스를 사용하기 때문에 위험성, 비효율성, 고비용 등의 문제가 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 유동 추적법의 하나인 공기 연령 이론법을 바탕으로 추적 가스가 아닌 열환경분포를 통하여 돈사 내 환기량을 산정하고자 한다. 본 연구에서는 추적 가스와 열환경 분포의 공기 연령 이론법을 검증하기 위하여 공기 연령 이론법을 통한 환기량 지표인 LMA (Local Mean Age, 국소 평균 연령)를 이용하였다. 먼저 돈사내에서 현장 실험을 통하여 외부 기상 및 내부 환경 조건, 온도 (열환경 분포), 유속 분포, 이산화탄소 (추적 가스) 농도를 측정하였다. 현장 실험을 통하여 측정한 결과를 바탕으로 추적 가스 농도 감쇠를 통한 LMA와 열환경 분포 감쇠를 통한 LMA의 결과를 비교 분석하였다. 다음으로 전산유체역학 시뮬레이션 검증 모델을 설계하고 현장 실험으로부터 도출한 결과와 검증을 수행하였다. 검증을 위하여 열환경 분포 감쇠를 통한 LMA 결과와 시설 내부의 유동 결과를 이용하였다.

스마트양돈의 최적 사육환경 조성을 위한 공기재순환 시스템 수치 설계

김락우 ( Rack-woo Kim ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

국내 양돈 산업은 농장규모의 대형화, 밀집사육으로 인하여 환경 및 사회 전반에 걸쳐 다양한 문제점들이 있으며, 대표적으로는 1) 축산 전염병 전파 및 유입, 2) 호흡기성 전염병 발생, 3) 축산 악취 배출, 4) 열악한 사육 환경, 5) 축사 에너지 비용 등이 있다.이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 가축방역, 오염물질 저감 기술과 신재생 에너지 개발 등이 이루어지고 있으며, 양돈 산업의 대표적인 문제점을 해결할 수 있는 기술로 공기재순환 기술이 연구되고 있다. 공기재순환 기술은 외부 공기의 유입을 최소화하고 내부 공기를 정화하여 재공급하는 기술로 양돈 산업의 대표적인 문제점 해결이 가능하다. 공기재순환 기술은 주로 산업시설에 대해 연구가 진행되어 왔으며, 미국 국가 표준협회(ANSI)는 공기재순환 기술을 위한 표준을 제시하고 있다. 그러나 양돈 시설에 공기재순환기술을 접목한 연구는 미비한 실정이며, 이를 효과적으로 접목하기 위해서는 돈사 내부의 특성과 재순환 되는 공기의 특성의 분석이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 공기 재순환 시스템을 접목한 돈사의 복합적인 생육 환경을 예측하고 최적의 모델을 설계하고자 한다. 돈사내부의 복합 생육 환경은 평형 방정식으로부터 해석을 수행하였다. 공기재순환 시스템은 공기 세정기, 돈사 열회수기, 외기 열교환기, 태양열 온수기, 외기 혼합기로 구성하였으며, 공기재순환 시스템의 각 모듈은 설계 공식을 바탕으로 공기의 상태를 수치화하였다. 각 모듈의 순서를 다양하게 조합하여 분석을 수행하였으며, 다양한 환경 조건에 따라 돈사내부의 복합 생육 환경을 평가하였다.

제 2발표장 : 생물생산시설 및 환경공학 분야 ; 12:36~12:48 : 간척지 설치 온실의 풍압 계수 산정

김락우 ( Rack Woo Kim ),이인복 ( In Bok Lee ) 한국농업기계학회 2014 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.19 No.2

양돈 전염병 방지를 위한 동물복지 스마트축사 시스템 개발

김락우 ( Rack-woo Kim ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

국내 양돈 산업은 방역 및 악취 문제 등으로 민간에서 떨어진 산간지대에 많은 수의 축산 농가가 밀집되어 있으며 사료수송차량, 수의사, 관련 업계 조사자들의 방문이 집중되어 전염성 질병이 발생할 경우 농장 간으로 확산되기 쉬운 조건을 갖추고 있다. 이로 인하여 최근의 기후변화와 더불어 바이러스의 확산에 의한 축산 전염병이 피해가 증가되고 있는 실정이다. 따라서, 축산 산업에서 구제역 등 전염병 방지에 대한 사전 대비가 매우 절실하다. 야돈 전염병은 자연적 및 인위적, 직접적 및 간접적인 다양한 감염 경로를 통하여 확산될 수 있으며 현재는 인위적 (사람, 차량 등) 요인에 의해 양돈 전염병이 퍼져나가는 것을 중심으로 국가방역체계를 만들어 대처하고 있으나 최근 심각한 피해를 입힌 발병 사례들에서는 충분한 방역이 실현되지 못한다. 이에 대하여 최근 공기 중 전염병 전파의 가능성이 높게 인지되고 있으며 기상환경요인에 의해 예상치 못한 경로로 전파될 가능성도 미리 대비할 필요성이 제기되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 양돈 시설에 공기재순환 기술 (외부의 찬 공기 유입을 최소화하고 내부의 공기를 정화하여 재공급하는 기술)을 접목한 동물복지 스마트축사 시스템을 개발하고자 한다. 동물복지 스마트축사 시스템은 양돈 시설의 공기재순환을 통한 공기 중 질병 유출 혹은 유입 가능성을 최소화하 수 있으며 밀폐된 축사로써 철새, 야생동물로부터의 직접적 전염병을 차단할 수 있다. 양돈 시설 내부의 적정 환기를 통한 대표적 축산 전염병 발생률을 저감 (가축 저항성 증가)할 수 있고 축산 악취의 배출을 최소화할 수 있다. 또한, 동절기 최소환기량 증가를 통하여 사육 환경을 및 공기질을 개선할 수 있으며 난방 에너지 부하를 절감하고 신재생 에너지 활용을 통한 에너지 비용 절감이 가능하다.

공기재순환 기술을 접목한 동물복지 스마트축사 시스템 개발

김락우 ( Rack-woo Kim ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

양돈 전염병은 자연적 및 인위적, 직접적 및 간접적인 다양한 감염 경로를 통하여 확산될 수 있으며 현재는 인위적 (사람, 차량 등) 요인에 의해 양돈전염병이 퍼져나가는 것을 중심으로 국가방역체계를 만들어 대처하고 있으나 최근 심각한 피해를 입힌 발병 사례들에서는 충분한 방역이 실현되지 못한다. 이에 대하여 최근 공기 중 전염병 전파의 가능성이 높게 인지되고 있으며 기상환경요인에 의해 예상치 못한 경로로 전파될 가능성도 미리 대비할 필요성이 제기되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 양돈 시설에 공기재순환 기술 (외부의 찬 공기 유입을 최소화하고 내부의 공기를 정화하여 재공급하는 기술)을 접목한 동물복지 스마트축사 시스템을 개발하고자 한다. 동물복지 스마트축사 시스템은 양돈 시설의 공기재순환을 통한 공기 중 질병 유출 혹은 유입 가능성을 최소화할 수 있으며 밀폐된 축사로써 철새, 야생동물로부터의 직접적 전염병을 차단할 수 있다. 우선, 공기재순환 기술을 접목한 동물복지 스마트축사 시스템을 개발하기 위하여 네덜란드에서 개발한 공기재순환 시스템을 분석하고 국내에 적용할 때의 개선사항을 분석하였다. 공기재순환을 이용한 동물복지 스마트축사를 개발하기 위해서는 총 5단계에 걸쳐서 연구를 진행한다. 1단계에서는 사전 시스템개발 준비를 수행하고 2단계와 3단계에 거쳐 축사구조, 환기시스템, 공기재순환시스템을 테스트베드와 수치 시뮬레이션을 이용하여 설계한다. 4단계에서는 개발한 시스템을 실제 농장에 적용하고자 하는데 개발시스템을 적용하기 전 모니터링 결과와 개발 시스템을 적용했을 때의 모니터링 결과를 분석하고 개발한 수치모델을 검증할 예정이다. 1부터 4단계에 거친 연구결과를 바탕으로 5단계에서는 최종 스마트 동물복지 축사를 개발하고자 합니다. 본 연구에서는 연구 초기단계로서 1단계 연구를 수행하였고 2단계 연구를 수행하고 있다.

토마토 작물의 공기저항 예측을 위한 전산유체역학 작물 모델 개발

김락우 ( Rack-woo Kim ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

온실은 시설 내 작물을 재배하기 위하여 설계되었기 때문에 미기상을 예측할 때는 작물이 미치는 영향과 작물에 미치는 영향 모두를 고려하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 작물은 주변 공기의 유동을 방해하는 저항체로 작용하며 공기 유속, 유동량, 난류성 등에 영향을 미친다. 따라서 전산유체역학 기법을 이용하여 현실적인 공기유동, 미기상 변화 등의 물리적 현상을 모의하기 위해서는 다공성과 같은 작물의 특성을 필수적으로 고려하여야 한다. 작물은 복잡하고 불규칙한 형상을 가지고 있기 때문에 개별적인 작물군을 시뮬레이션 모델 상에 정확하게 구현하고 격자망을 설계하는 것은 매우 어려운 과정이 따른다. 이에 따라 대부분의 전산유체역학 연구는 작물을 육면체의 다공성 매체로 가정하며 다공성 매체의 특성 값을 정의함으로써 격자망 설계의 효율성을 높이는 동시에 연산시간을 단축시키는 연구가 다수 수행되었다 (이 등, 2006; Boulard and Wang, 2002 등). 그러나 이러한 방법들은 작물을 단순화하여 수치해석을 진행하였기 때문에 실제 온실 내부의 공기유동과 차이가 발생한다. 현재 전산유체역학과 같은 수치해석기법은 컴퓨터 기술이 급속도로 발전함에 따라 연산 시간이 대폭 감소하였으며 과거에는 해석할 수 없었던 복잡한 유체 유동을 해석할 수 있게 되었다. 컴퓨터 하드웨어의 진보와 함께 기존의 단순화 과정을 거친 토마토 모델의 실제 형상을 모델링 할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 토마토 작물의 공기저항 예측을 위하여 전산유체역학에 적용할 수 있는 토마토 작물 모델을 개발하고자 한다. 먼저 전산유체역학에 적용할 토마토 작물 모델의 검증을 위하여 풍동실험을 수행하였다. 풍동실험은 크기 1.0m×1.2m×4.8m (W×H×L)의 폐쇄 관 안에 토마토 작물을 3그루, 6그루, 9그루를 배치하고 풍속에 따른 압력 강하량을 측정하였다. 풍동실험 이후 각각의 토마토 작물의 잎면적지수를 측정하였으며 측정한 잎면적지수는 토마토 작물 모델을 개발할 때 사용되었다. 토마토 작물 모델 개발을 위하여 먼저 3차원 스캐너를 통하여 대표 토마토 작물의 전체 형상, 개별 잎과 줄기의 형상을 스캔하였다. 토마토 형상 스캔 결과는 Rhinoceros를 통하여 불필요한 부분은 제거되었으며 불명확한 부분은 잎 형상에 맞게 수정되었다. 수정한 결과는 전산유체역학 전처리 프로그램에 입력되었으며 풍동실험 조건과 일치하도록 모델이 설계되었다. 설계된 모델의 총 격자 개수는 약 100만개로 연산을 진행하는데 큰 부하가 발생하지 않았다. 최종적으로 연산결과와 풍동실험 결과와 비교 분석을 통하여 전산유체역학 모델의 검증을 수행하였다. 검증 결과 전산유체역학에 적용하고자하는 토마토 작물 모델은 온실의 미기상 예측을 위하여 활용이 가능하다고 판단되었다.

토마토 작물의 공기저항 예측을 위한 CFD 적용 토마토 모델 개발

김락우 ( Rack-woo Kim ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

온실은 시설 내 작물을 재배하기 위하여 설계되었기 때문에 미기상을 예측할 때는 작물이 미치는 영향과 작물에 미치는 영향 모두를 고려하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 작물은 주변 공기 유동을 방해하는 저항체로 작용하며, 특히 토마토 작물과 같은 높은 캐노피 작물이 온실 내 공기역학적 저항에 영향을 미치기 때문에 내부 기류, 온도 패턴, 자연 환기에 큰 영향을 미친다. 기존 전산유체역학 (Computational fluid dynamics; CFD) 연구에서는 풍동실험을 통하여 토마토 작물 전후의 압력 강하를 측정하고, 다공성 매체에 공기역학적 저항을 적용하여 토마토 작물을 구현하였다. 그러나, 기존 CFD 연구에서의 내부 기류 패턴은 작물의 모양을 단순화 했기 때문에 실제 기류 패턴과 다르게 나타나는 문제점이 있었다. 현재 컴퓨터의 기술이 급속도로 발전함에 따라 CFD 시뮬레이션과 같은 수치해석 기법은 크게 개선되었다. 따라서, 본 연구에서는 CFD 시뮬레이션에서 토마토 작물에 의한 공기의 흐름을 보다 정확히 예측하기 위하여 실제 토마토 작물의 3차원 형상 모델을 개발하고자 한다. 먼저, 풍동실험을 통하여 토마토 작물 전후의 압력 강하를 측정하였으며, 토마토의 공기 역학적 저항을 계산하였다. 3차원 스캐너를 이용하여 토마토 작물 형상을 스캔하였으며, 스캔 데이터를 가공하여 토마토 작물의 3차원 형상 모델을 설계하였다. CFD 시뮬레이션에 설계한 토마토 작물 형상 모델을 적용하였으며, 풍동 실험에서 측정한 압력 강하량과 비교를 통한 검증을 수행하였다. 검증을 통하여 최종 토마토 작물 형상 모델을 개발하였고, 토마토 작물 3차원 형상 모델 적용에 따른 온실 내부 환기량 분석을 수행하였다.

스마트돈사의 최적 환경 조성을 위한 공기재순환 시스템 설계

김락우 ( Rack-woo Kim ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

양돈 산업은 급속하게 발전함에 따라서 양돈 시설 내외적으로 다양한 문제점들이 부각되고 있다. 특히, 양돈 시설농업의 경우 ICT 기술을 접목하여 자동화 및 기계화를 구축하더라도 양돈 산업이 갖는 근본적인 문제는 해결하기가 어렵다. 현재 양돈 산업에서 대표적으로 해결해야 할 과제로는, 1) 축산 전염병 전파 및 유입 차단, 2) 호흡기성 전염병 발생률 저감, 3) 축산악취 배출 저감, 4) 축사 사육환경 개선, 5) 농장경영시스템 향상 및 운영비 절감, 6) 축사 에너지 절감, 7) 축산물 품질 향상 등이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 다양한 연구들이 수행되고 있으며, 양돈 산업의 대표적인 문제점을 해결할 수 있는 기술로 공기재순환 기술이 활용될 수 있다. 공기재순환 기술은 외부의 공기 유입을 최소화하고 대신에 내부의 공기를 정화하여 재공급하는 기술로 주로 산업환경에서 건물 내부 공기 에너지를 유지하여 냉·난방비용을 절약하기 위해 연구되고 있다. 그러나, 양돈 시설에 공기재순환 기술을 접목한 시도는 없으며, 이를 효과적으로 접목하기 위해서는 돈사 내부의 특성과 재순환 되는 공기의 특성의 분석이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 공기재순환 시스템을 접목한 돈사의 복합 생육 환경을 예측하고, 최적의 모델을 설계하고자 한다. 돈사내부의 복합 생육 환경은 평형 방정식을 기반으로 모델을 설계하였다. 공기재순환 시스템은 효율성 및 경제성 등을 고려하여 공기 세정기, 외기 열교환기, 태양열교환기, 외기 혼합기로 구성하였고, 공기재순환 시스템의 각 모듈은 선행연구를 참고하여 설계 공식을 모델에 반영하였다. 각 모듈의 시스템 계통도를 반영하여 분석을 수행하였으며, 다양한 환경 조건에 따라 돈사 내부의 복합 생육 환경을 평가하였다.