[논문]무창 육성.비육돈사의 공기유동 특성 분석

송준익; 최홍림; 최희철; 이덕수; 전병수; 전중환; 유용희

무창 육성.비육돈사의 공기유동 특성 분석
Analysis of Airflow Characteristics in an Enclosed Growing-Finishing Pig House 원문보기

본 실험은 무창육성 비육돈사에 있어서 여름과 겨울철 환기를 할 때 공기 유입구에서의 공기속도가 환경에 미치는 영향을 조사하고자 CFD를 이용한 모델을 설정하였고, 현장실험을 통한 결과와 CFD 모델의 공기유속 결과를 서로 비교하였다. 공기속도에 있어서 수학적인 모델은 현장실험 결과와 매우 유사하게 나타났다. 환기시스템에서의 공기흐름은 양쪽 측벽 슬롯 판넬을 통하여 공급하였으며 겨울철은 $2{\sim}2.5m/s$ 였고, 여름철은 0.8 m/s 전후였다. 이상의 연구 결과 여름철과 겨울철 모두 해석 Model과 실험 무창육성 비육돈사내 측정 결과 평균 유속은 근소한 차이로 나타나 공기유동 해석 연구에 있어서 CFD 시뮬레이션의 적용으로 합리적인 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다.

Experiments were carried out to evaluate the air speed distribution of an enclosed growing-finishing pig house in summer and winter. The data taken by experiments were compared to validate with the calculated air speeds by a commercial CFD code, FLUENT. Air basically enters into the house through Baffled slot Inlet and leaves through a exhaust fan attached on the Exhaust fan in exiting wall of the house. Air speeds were measured as $2{\sim}2.5m/s$ at the two side slot in winter and 0.8 m/s in summer. The validation showed that a CFD simulation is one of feasible methods to predict airspeed distribution in the growing-finishing pig house.

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문제 정의

무창육성 . 비육돈사의 공기유동 해석을 위해 개발된 CFD 시뮬레이션 모델의 타당성과정확성을 검토하기 위해 실제 무창육성 . 비육돈사에 대한 실험을 수행하고 그 결과를시뮬레이션 결과와 비교하여 검토하였다.

제안 방법

비육돈사의 공기유동 해석을 위해 개발된 CFD 시뮬레이션 모델의 타당성과정확성을 검토하기 위해 실제 무창육성 . 비육돈사에 대한 실험을 수행하고 그 결과를시뮬레이션 결과와 비교하여 검토하였다.
본실험은 무창육성.비육돈사에 있어서여름과 겨울철 환기를 할 때 공기유입구에서의 공기속도가 환경에 미치는 영향을 조사하고자 CFD를 이용한 모델을 설정하였고, 현장실험을 통한 결과와 CFD 모델의 공기유속결과를 서로 비교하였다. 공기속도에 있어서수학적인 모델은 현장실험결과와 매우 유사하게 나타났다.
본 연구는무창육성 . 비육돈사의 공기유동 특성을 수치해석으로 예측하고 환기시스템 성능을 분석하기 위해 개발된 CFD 시뮬레이션 모델을이용하여 무창육성돈사를 대상으로 환기시스템 성능 및 공기유동 특성을 분석하였으며축산시설에서 CFD 시뮬레이션을 통한 이론적인 모델과 현장측정을 통한 실측치를 서로비교하여 공기유동의 특성을 분석하는 것을목적으로 수행되었다.
비육돈사의 환경 즉정은 Table 1과 같은 장비를 이용하여 측정하였다. 특히공기유속을 계측하는 센서는 공기의 유속 측정에 영향을 미치지 않도록 하기 위하여 K-type Thermocouple(O 3mm)을 사용하였고 센서의배치는 자돈사의 출입문에서 전면, 중중, 후면 지점의 좌우 상, 중, 하부 지점 (18지점)과중앙통로 상, 중, 하 지점 (9지점)에 설치하여계측하였다.

대상 데이터

실험돈사의 제원은Fig. 1, 2, 3과 같이 폭 12 m, 길이 20 m, 중앙통로 1.2 m, 처마높이 3 m, 용마루 높이 4.5 m이다. 모델개발을 위한 입력값은 Table 3과같이 여름철은 Case 1, 겨울철은 Case 2와 같은 조건으로 하였다.
본 실험에 사용된 무창육성 . 비육돈사 환기시스템은 외기가 측벽 슬롯으로 유입되고한쪽 측벽으로 배출된다.

이론/모형

Fig. 4는 시뮬레이션 격자망을 나타낸 것으로 CFD 시뮬레이션을 위한 격자망을 구성하기 위하여 gambit 프로그램을 이용하였다. 격자망의 구성은 계산시간 및 계산의 정확도에영향을 미치기 때문에 천장부근(공기유입구) 에서는 더욱 더 조밀하게 3차원으로 mesh를구성하였다.

성능/효과

6은 낮은 공기속도의 영향에 의한 대표적인 공기속도의 영향을 나타낸 것이다. 겨울철 CFD 시뮬레이션 결과, 겨울철 공기교환율 (ACH)은 8.0회 였으며, 명목 시간 상수(=V/Q)는 449.88로써 완전 혼합이 이루어진다는 가정하에 급기에서 배기까지 걸리는시간이 449.88 초 걸렸으며, 이것은 1/449.88 의 농도 감소율을 가져왔다. 실제 무창 육성 .
2m 보다 좁을 경우한 측벽에 팬이 위치한 건물에서 맞은 측벽을 따라 천정 근처에 슬롯 입구를 권장하는것과는 차이가 있었으며 슬롯 입구는 겨울철과 여름철 환기를 위한 입구를 분리시켜야한다고 한 Lubinus 등(1980)의 보고와 일치하였다. 겨울철 CFD 시뮬레이션 모델을 적용하여 돈사내 공기 유동 특성을 예측함에있어 실제 측정치와 거의 유사한 합리적인예측결과를 도출할 수 있음을 입증하였다. 따라서 실험용 무창육성 .
이상의 연구 결과 여름철과겨울철 모두 해석 Model과 실험 무창육성 . 비육돈사내 측정 결과 평균 유속은 근소한차이로 나타나 공기유동 해석 연구에 있어서 CFD 시뮬레이션의 적용으로 합리적인 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다.
따라서 실험용 무창육성 . 비육돈사의 환기시스템이 바닥에 적절한 공기유동을 제공할 수있음을 알 수 있었다.
측벽 슬롯을 통하여 돈사내로 유입된공기속도의 분배는 돈사내에 고른 공기 분포를 하는 것으로 나타나 CFD 시뮬레이션 모델을 적용하여 돈사내 공기 유동 특성을 에측함에 있어 합리적인 예측결과를 도출할 수있음을 알 수 있었다. 실험 결과 여름철 돈사 바닥내에 균등한 유속분포를 나타내었으며, 전체적으로 공기의 유동이 활발하였고, 바닥면에서는 자돈의 성장을 촉진하는 것으로 알려진 0.2 ~ 0.4 m/s 전후로 나타나 Riskowski 등(1993)이 요구한 자돈이 성장하기에 가장이상적인 유속분포를 갖는 조건인 것으로 판단되어 CFD에 의한 공기유동 시뮬레이션 결과 합리적인 예측결과를 도출할 수 있음을알 수 있었다.
여름철 CFD 시뮬레이션 결과, 여름철 공기 교환율 (ACH)은 25.02회 였으며, 명목 시간 상수 (=V/Q)는 143.87로써 완전 혼합이 이루어진다는 가정하에 급기에서 배기까지 걸리는 시간이 143.87초 걸렸으며, 이것은 1/ 143.87의 농도 감소율을 가져왔다. 실제 무창육성 .
8 m/s 전후였다. 이상의 연구 결과 여름철과겨울철 모두 해석 Model과 실험 무창육성 . 비육돈사내 측정 결과 평균 유속은 근소한차이로 나타나 공기유동 해석 연구에 있어서 CFD 시뮬레이션의 적용으로 합리적인 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다.
5는 돈사내에서 예상되는 공기속도에의한 여름철 돈사내 결과를 나타낸 것으로그림 CFD에서 보여 주는 것처럼 높은 공기속도의 영향과 결합된 공기흐름 패턴을 보여준다. 측벽 슬롯을 통하여 돈사내로 유입된공기속도의 분배는 돈사내에 고른 공기 분포를 하는 것으로 나타나 CFD 시뮬레이션 모델을 적용하여 돈사내 공기 유동 특성을 에측함에 있어 합리적인 예측결과를 도출할 수있음을 알 수 있었다. 실험 결과 여름철 돈사 바닥내에 균등한 유속분포를 나타내었으며, 전체적으로 공기의 유동이 활발하였고, 바닥면에서는 자돈의 성장을 촉진하는 것으로 알려진 0.

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