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공기유동해석을 통한 온실내 식물군 미기상 분석기술 개발 - (2)온실내 대기환경에 미치는 작물의 영향 분석을 위한 CFD 모델개발 -
Development of an Aerodynamic Simulation for Studying Microclimate of Plant Canopy in Greenhouse - (2) Development of CFD Model to Study the Effect of Tomato Plants on Internal Climate of Greenhouse - 원문보기

생물환경조절학회지 = Journal of bio-environment control, v.15 no.4, 2006년, pp.296 - 305  

이인복 (서울대학교 농업생명과학대학 지역시스템공학) ,  윤남규 (농촌진흥청 농업공학연구소 시설방제공학연구실) ,  (프랑스 국립농업연구소 원예환경연구실) ,  (프랑스 Franche-Comte 대학교, CREST) ,  이성현 (농촌진흥청 농업공학연구소 시설방제공학연구실) ,  김경원 (농촌진흥청 농업공학연구소 시설방제공학연구실) ,  홍세운 (서울대학교 농업생명과학대학 지역시스템공학) ,  성시흥 (건국대학교 자연과학대학 생물산업기계공학)

초록
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변화무쌍한 기상변화가 실험의 정확도에 미치는 영향을 최대한 줄일 수 있도록 강제환기식 온실에서 실험을 하였고, 또한 대체적으로 크지 않은 온실에서의 실험으로 인하여 CFD모델결과의 오차를 크게 줄일 수 있었다. CFD와 현장실험 결과를 비교하여 본 결과, 온실내 1m높이에서의 평균풍속이 각각 $0.42m{\cdot}s^{-1}$$0.39m{\cdot}s^{-1}$으로써 CFD의 지점별 오차 평균값은 7.7% 로 나타났다. Y8.5m 지점에서 가장 큰 오차가 발생하였는데, 최대 오차는 -53.8%로 나타났다. 이의 가장 큰 이유로는 온실 길이방향에서 중간지점인 Y8.5m에서 풍속이 매우 작았기 때문에 소숫점 2번째 자리의 차이라고 해도 큰 오차로 나타났다. 작물형상의 기하학적 복잡성이 매우 큰 것을 고려한다면 오차범위는 매우 양호한 것으로 판단된다. 온실내 1m높이에서 평균온도의 CFD 평균오차는 2.2%로 나타났고, 최대편차는 5.5%이었다. 온실내 바닥으로부터의 복사열 발생량의 차이로 인하여 온실내 동쪽 지역에 상대적으로 큰 오차가 발생하였다. 외기 상대습도가 44%일 때, CFD상대습도의 오차는 2.1%이었으며, 최대 오차는 -3.8%이었다. 식물군의 공기유동저항, 식물군의 수분 및 열평형 모델을 추가하여 보다 사실적인 CFD모델을 설계하였다. CFD 모델의 설계방법이 정립되었기 때문에, 추후에 온실내 다른 작물의 미기상 및 이의 온실내 기상에 미치는 영향 등을 정량적으로 분석할 수 있게 되었다. 또한 작물의 적정생육환경에 주요 대상이면서도 동시에 센서설치의 어려움 등으로 인하여 연구에 어려움이 많았던 작물군내 미기상을 연구할 수 있는 토대를 마련하였다.

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The heterogeneity of crop transpiration is important to clearly understand the microclimate mechanisms and to efficiently handle the water resource in greenhouses. A computational fluid dynamic program (Fluent CFD version 6.2) was developed to study the internal climate and crop transpiration distri...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • CFD 모델의 설계방법이 정립되었기 때문에, 추후에 온실내 다른 작물의 미기상 및 이의 온실 내 기상에 미치는 영향 등을 정량적으로 분석할 수 있게 되었다. 또한 작물의 적정생육환경에 주요 대상이면서도 동시에 센서설치의 어려움 등으로 인하여 연구에 어려움이 많았던 작물군내 미기상을 연구할 수 있는 토대를 마련하였다.
  • 예측한 복사에너지와 대류의 이질성을 실험적 값과 비교하여 유효화시키고 시설내 작물과 환경 사이에서의 잠열과 현열의 교환을 기초로 한 토마토 작물의 증발산 모델을 시뮬레이션하였다. 또한 작물이 공기흐름에 미치는 영향을 설계하기 위하여 풍동실험을 통하여 작물군의 항력계수를 찾고자 하였다. 이렇게 개발된 CFD 시뮬레이션 모델의 정확도는 현장 실험 결과를 통하여 검증하고자 노력하였고, 현장실험에서 측정된 데이터는 CFD의 입력자료로도 활용되었다.
  • 본 연구의 목적은 작물 증발산 모델과 태양 복사에너지를 접목한 온실 환경조절, 특히 환기연구를 위한 3차원 CFD 모델을 개발하고자 함이다. 온실안의 토마토 작물과 환경사이에서의 잠열과 현열의 교환을 기초로 하여 토마토 작물의 증발산을 시뮬레이션하고, 또한 실험적으로 얻은 온실내 온도, 습도, 및 풍속 분포와 비교함으로써 개발되는 CFD모델의 정확도 검증 및 이의 향상을 도모하고자 한다.
  • CFD 모델을 개발하고자 함이다. 온실안의 토마토 작물과 환경사이에서의 잠열과 현열의 교환을 기초로 하여 토마토 작물의 증발산을 시뮬레이션하고, 또한 실험적으로 얻은 온실내 온도, 습도, 및 풍속 분포와 비교함으로써 개발되는 CFD모델의 정확도 검증 및 이의 향상을 도모하고자 한다. 작물군의 공기저항은 이등(2006)의 결과를 적용하고자 한다.
  • 1)에서 2005년 7월 7일에 수행되었으며, 수원에 소재한 다른 유사한 온실에서 2006년 5월 20일부터 6월 1일까지 추가로 실험하였다. 현장실험은 이번 연구를 통하여 개발되는 전산 유체역학 (CFD) 모델의 정확도 검증을 위하여 수행되었다. Fig.

가설 설정

  • 이번 시뮬레이션 모델에 작물군 설계는 작물이 시설내 대기층과 열적 및 물질적 교류를 갖는다는 가정 하에 이루어졌다. 예측한 복사에너지와 대류의 이질성을 실험적 값과 비교하여 유효화시키고 시설내 작물과 환경 사이에서의 잠열과 현열의 교환을 기초로 한 토마토 작물의 증발산 모델을 시뮬레이션하였다.
  • 측정기간 총 4시간동안 평균풍속은 2.1m•s-1이었고, 이번 실험을 위한 온실이 강제환기식이었기 때문에 시설의 환기에 외부의 풍속이 미치는 영향은 없었다고 가정하였다. 외부 온도는 오후 1시 50분까지 꾸준하게 증가하는 것으로 나타났으며, 온실내의 공기온도도 같은 경향을 나타내며 증가하였다.
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