전산수치해석을 활용한 지중점적관수장치 압력보상기능 구현 및 디자인 요소 평가 = CFD analysis of pressure compensate performance and design factor evaluation in a drip irrigation system

국문 초록 (Abstract)

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.