작물은 복잡한 형상 때문에 CFD모델에서 다공성 매체로 설계된다. 작물이 고려된 CFD 모델 해석을 위해서는 작물군락의 공기저항값을 입력하여야 하며, 이 값은 작물에 따라 달라진다. 본 연구에서는 풍동실험을 통해 국화군락의 공기저항 값을 구하였다. 풍상측에서는 풍속과 재식밀도가 증가할수록 정압이 증가하였다. 풍하측에서는 풍속이 증가할수록 정압이 낮아졌으나 재식밀도의 영향은 크게 받지 않는 것으로 나타났다. 풍속과 재식밀도가 증가할수록 풍상측과 풍하측의 압력차가 커지는 것으로 나타났다. 국화군락의 공기저항값인 항력계수$C_d$값은 0.22였으며, Fluent 프로그램의 공기저항 계수로 이용한다. CFX 프로그램에서 필요로 하는 다공성 매체의 특성값$K_Q$는 재식간격 $9{\times}9cm$일 때 2.22, $11{\times}11cm$일 때 1.81, $13{\times}13cm$일 때 1.07이었으며, 이 값을 CFX 프로그램의 quadratic resistance coefficient로 입력한다.
작물은 복잡한 형상 때문에 CFD모델에서 다공성 매체로 설계된다. 작물이 고려된 CFD 모델 해석을 위해서는 작물군락의 공기저항값을 입력하여야 하며, 이 값은 작물에 따라 달라진다. 본 연구에서는 풍동실험을 통해 국화군락의 공기저항 값을 구하였다. 풍상측에서는 풍속과 재식밀도가 증가할수록 정압이 증가하였다. 풍하측에서는 풍속이 증가할수록 정압이 낮아졌으나 재식밀도의 영향은 크게 받지 않는 것으로 나타났다. 풍속과 재식밀도가 증가할수록 풍상측과 풍하측의 압력차가 커지는 것으로 나타났다. 국화군락의 공기저항값인 항력계수 $C_d$값은 0.22였으며, Fluent 프로그램의 공기저항 계수로 이용한다. CFX 프로그램에서 필요로 하는 다공성 매체의 특성값 $K_Q$는 재식간격 $9{\times}9cm$일 때 2.22, $11{\times}11cm$일 때 1.81, $13{\times}13cm$일 때 1.07이었으며, 이 값을 CFX 프로그램의 quadratic resistance coefficient로 입력한다.
A wind tunnel test was conducted at Protected Horticulture Experiment Station of National Horticultural Research Institute in Busan to find the aerodynamic resistance and quadratic resistance coefficient of chrysanthemum in greenhouse. The internal plants of the CFD model has been designed as a poro...
A wind tunnel test was conducted at Protected Horticulture Experiment Station of National Horticultural Research Institute in Busan to find the aerodynamic resistance and quadratic resistance coefficient of chrysanthemum in greenhouse. The internal plants of the CFD model has been designed as a porous media because of the complexity of its physical shapes. Then the aerodynamic resistance value should be input for analyzing CFD model that crop is considered while the value varies by crops. In this study, the aerodynamic resistance value of chrysanthemum canopy was preliminarily found through wind tunnel test. The static pressure at windward increased as wind velocity and planting density increased. The static pressure at leeward decreased as wind velocity increased but was not significantly affected by planting density. The difference of static pressure between windward and leeward increased as wind velocity and planting density increased. The aerodynamic resistance value of chrysanthemum canopy was found to be 0.22 which will be used later as the input data of Fluent CFD model. When the planting distances were $9{\times}9\;cm$, $11{\times}11\;cm$, and $13{\times}13\;cm$, the quadratic resistance coefficients of porous media were found to be 2.22, 1.81, and 1.07, respectively. These values will be used later as the input data of CFX CFD model.
A wind tunnel test was conducted at Protected Horticulture Experiment Station of National Horticultural Research Institute in Busan to find the aerodynamic resistance and quadratic resistance coefficient of chrysanthemum in greenhouse. The internal plants of the CFD model has been designed as a porous media because of the complexity of its physical shapes. Then the aerodynamic resistance value should be input for analyzing CFD model that crop is considered while the value varies by crops. In this study, the aerodynamic resistance value of chrysanthemum canopy was preliminarily found through wind tunnel test. The static pressure at windward increased as wind velocity and planting density increased. The static pressure at leeward decreased as wind velocity increased but was not significantly affected by planting density. The difference of static pressure between windward and leeward increased as wind velocity and planting density increased. The aerodynamic resistance value of chrysanthemum canopy was found to be 0.22 which will be used later as the input data of Fluent CFD model. When the planting distances were $9{\times}9\;cm$, $11{\times}11\;cm$, and $13{\times}13\;cm$, the quadratic resistance coefficients of porous media were found to be 2.22, 1.81, and 1.07, respectively. These values will be used later as the input data of CFX CFD model.
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가설 설정
작물군락의 형상은 CFD 모델로 설계하기에 불규칙하고 복잡할 뿐만 아니라 작물의 영향을 수치적으로 표현하기가 어* 렵다 그렇지만 온실내 작물은 공기 유동에 대하여 저항체로 작용하여 유속, 운동량, 난류성 등의 특성을 변화시키기 때문에 실제와 가깝게 CFD 모델을 설계하기 위해서는 반드시 작물을 고려해야 한다. 그러나 온실을 대상으로 수행되어온 많은 연구들은 작물 군락의 복잡한 기하학적 형상 때문에 온실 내에 작물이 없다는 가정 하에 이루어졌다(Lee 등, 2001). 최근 들어 Boulard 등(2002) 소수 연구자들만이 온실 내 작물을 고려하여 CFD 모텔을 설계하였다.
본 연구에서도 국화군락내 난류가 매우 높다는 가정하에 Darcy term을 무시하였다. Fluent 프로그램에서 다공성 매체 설계공식인 식 (3)과 식 (5)를 연립하여 아래의 식 (6)에서 항력계수를 찾고자 하였다.
한다. 작물은 복잡한 기하학적인 형상을 단순화하기 위하여 6면체의 다공성 매체로 가정이 되며, 그 다공성 매체의 특성값을 CFD 모델에 입력해 주어야 한다. Fig.
제안 방법
국화의 초장은 58cm였고, 엽면적은 주당 456cm2였다, 국화군락의 재식밀도에 따른 공기 유동 저항을 측정하기 위하여 풍동내 1m2오의 바닥면적 에 9x9em(124주), 11 x llcm(81 주), 13 x 13cm (49주)로 간격을 다르게 포트를 배치하였다(Table 1). 국화군락을 중심으로 풍상측과 풍하측에 다채널 미풍압측정계 (PSi Model 9016, PSP사, 미국)를 각각 8개씩 설치하여 정압을 측정하였고, 다채널 유속계 (Kanoniax Model 6243, Kanomax사, 일본)도 풍상 측과 풍하측에 각각 6개씩 설치하였다(Fig. 2). 국화군락은 일정한 형상을 유지하고 있지 않기 때문에 최대한 많은 센서를 설치하였다.
종류, 재식밀도 등에 따라 달라진다. 따라서 본연구에서는 CFD 모델 해석에 필요한 국화군락의 공기 저항값을 풍동실험을 통하여 결정하였다.
작물이 고려된 CFD 모델 해석을 위해서는 작물군락의 공기저항값을 입력하여야 하며, 이 값은 작물에 따라 달라진다. 본 연구에서는 풍동실험을 통해 국화군락의 공기저항값을 구하였다. 풍상측에서는 풍속과 재식밀도가 증가할수록 정압이 증가하였다, 풍 하측에서는 풍속이 증가할수록 정압이 낮아졌으나 재 식밀도의 영향은 크게 받지 않는 것으로 나타났다.
5m・L이었다. 풍동 내에서의 풍속분포를 균일하게 하기 위하여 팬으로부터 20cm 떨어진 지점부터 눈의 크기가 다른 네트를 3단계로 설치하였다.
국화군락은 일정한 형상을 유지하고 있지 않기 때문에 최대한 많은 센서를 설치하였다. 풍동의 유속은 0.3m・s-1부터 1.5m・s-1까지 0.3m・s-1 씩 5단계로 증가시켜 가면서 수행하였다, 국화군락의 복잡하고 균일하지 않은 기하학적 형상으로 인하여 각 센서의 위치에 따라서 측정값이 매우 불안정하였기 때문에 3번의 반복 측정을 통하여 평균값을 취하였다.
대상 데이터
유리온실 내에 폭 l.Omx높이 0.58mx길이 3.7m의 풍동을 설치하였으며, 외부의 영향을 배제하기 위해 온실 환기창을 닫은 상태로 실험을 수행하였다(Fig. 1). 풍동실험에 사용된 팬의 날개는 3개, 직경은 350mm, 최대풍량은 33.
풍동실험에 사용된 국화(cv sinma)는 직경 9cm 포트에서 재배되었다. 국화의 초장은 58cm였고, 엽면적은 주당 456cm2였다, 국화군락의 재식밀도에 따른 공기 유동 저항을 측정하기 위하여 풍동내 1m2오의 바닥면적 에 9x9em(124주), 11 x llcm(81 주), 13 x 13cm (49주)로 간격을 다르게 포트를 배치하였다(Table 1).
1). 풍동실험에 사용된 팬의 날개는 3개, 직경은 350mm, 최대풍량은 33.44m2·min-1, 최대 가능풍속은 1.5m・L이었다. 풍동 내에서의 풍속분포를 균일하게 하기 위하여 팬으로부터 20cm 떨어진 지점부터 눈의 크기가 다른 네트를 3단계로 설치하였다.
풍동실험은 부산 시설원예시험장에 설치된 단동 유리온실(폭 9mx측고 3.7mx길이 37m)에서 2007년 8월 14일에 수행되었다. 유리온실 내에 폭 l.
데이터처리
또한 바람에 노출되어 있는 군락의 형태가 균일하지 않았기 때문에 센서의 위치에 따라서 측정된 풍속 값들은 불균일한 것으로 나타났다. 그래서 3번의 반복 측정을 통해 평균 풍속값을 사용하였다. 국화군락 전후에서 풍속은 큰 차이는 보이지 않았지만, 각각의 풍속에서 대체적으로 균일한 차이를 보였다.
성능/효과
국화 잎들이 고정되어 있는 것이 아니라 바람에 따라 움직이기 때문에 안정된 값을 얻기가 매우 어려웠다. 또한 바람에 노출되어 있는 군락의 형태가 균일하지 않았기 때문에 센서의 위치에 따라서 측정된 풍속 값들은 불균일한 것으로 나타났다. 그래서 3번의 반복 측정을 통해 평균 풍속값을 사용하였다.
풍상측에서는 풍속과 재식밀도가 증가할수록 정압이 증가하였다, 풍 하측에서는 풍속이 증가할수록 정압이 낮아졌으나 재 식밀도의 영향은 크게 받지 않는 것으로 나타났다. 풍 속과 재식밀도가 증가할수록 풍상측과 풍하측의 압력 차가 커지는 것으로 나타났다. 국화군락의 공기저항값 인 항력계수 C기값은 0.
본 연구에서는 풍동실험을 통해 국화군락의 공기저항값을 구하였다. 풍상측에서는 풍속과 재식밀도가 증가할수록 정압이 증가하였다, 풍 하측에서는 풍속이 증가할수록 정압이 낮아졌으나 재 식밀도의 영향은 크게 받지 않는 것으로 나타났다. 풍 속과 재식밀도가 증가할수록 풍상측과 풍하측의 압력 차가 커지는 것으로 나타났다.
4(c)에서는 풍상 측과 풍하측 사이에서 발생하는 압력 감소를 보여주고 있다. 풍속이 증가할수록 또한 재식밀도가 높아질수록 압력 강하가 커지는 것을 알 수 있다.
참고문헌 (9)
ANSYS CFX. 2007. The manual of ANSYS CFX, Version 11.0. ANSYS Inc., PA, USA
Boulard, T. and S. Wang. 2002. Experimental and numerical studies on the heterogeneity of crop transpiration in a plastic tunnel. Computers and Electronics in Agriculture 34:173-190
Fluent. 2006. The manual of computational fluid dynamics(CFD), Version 6.3. Fluent Inc., Lebanon, N.H
Hong, S.W. 2008. Analytical comparison on ventilation efficiencies of naturally ventilated multi-span greenhouses and development crop modeling using CFD technology. Thesis. Seoul National Univ. p. 19- 27 (in Korean)
Lee, I.B. and T.H. Short. 1999. Analysis of the efficiency of natural ventilation in a multi-span greenhouse using CFD simulation. J. Bio-Env. Con. 8(1):9-18 (in Korean)
Lee, I.B. and T.H. Short. 2000. Two-dimensional numerical simulation of natural ventilation in a multispan greenhouse. Transactions of ASAE. 43(3):745- 753
Lee, I.B. and T.H. Short. 2001. Verification of computational fluid dynamics temperature simulations in a full scale naturally ventilated greenhouse. Transactions of ASAE. 44(1):119-127
Lee, I.B., N.K. Yun, T. Boulard, JC Roy, S.H Lee, K.W. Kim, S.K. Lee, and S.H. Kwon. 2006. Development of an aerodynamic simulation for studying microclimate of plant canopy in greenhouse. J. Bio-Env. Con. 15(4):289-295 (in Korean)
Wilson, J.D. 1985. Numerical studies of flow through a windbreak. Journal of Wind Engineering 21:119-154
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