[논문]소규모 음압터널환기방식 무창자돈사의 최적 환기 요건에 관한 연구

이승주; 장동일; 박정식; 전상훈; 조형제; 오권영; 장홍희

doi:10.5307/jbe.2009.34.1.063

문제 정의

본 연구는 총 120두의 자돈을 수용할 수 있는 돈방이 4개 있는 폭 5.2 m, 길이 12.3 m, 높이 2.3 m 크기의 소규모 음압 터널 환기 방식 무창자돈사에 대하여 겨울철 최소 환기량을 기준으로 CFD 시뮬레이션을 실시함으로써 겨울철 최적 환기를 위한 입기구의 크기, 입공기 속도 및 돈방 사이의 펜스 높이 등을 구명하고자 수행되었다. 입기구 크기를 폭 350 cm X 높이 2 cm와 폭 350 cm x 높이 3 cm의 두 수준으로 또한 첫 번째 돈방과 두 번째 돈방 사이의 펜스 높이를 70 cm와 100 cm의 두 수준으로 하여 2><2로 실험을 설계한 후 CFD 시뮬레이션을 하였다.
본 연구는 현재 국내에 보급되어 있는 소규모 음압 터널 환기 방식 무창자돈사의 공기유동에 대하여 겨울철 최소 환기량을 기준으로 CFD 시뮬레이션을 실시함으로써 소규모 음압 터널 환기 방식 무창자돈사의 겨울철 최적 환기를 위한 입기 구의 크기와 펜스(fence)의 높이 등을 구명하고자 수행되었다.

제안 방법

, Daejeon, Korea)이었다. CFD 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과를 비교 분석하여 CFD 시뮬레이션 모델을 검증하였다.
효과를 제외하였다. 또한 무창돈사 환기에 있어서 가장 중요한 것이 돈방간 차이를 최소화 하는 것, 즉 균일하게 환기하는 것이기 때문에 시뮬레이션 시에 돼지의 존재 여부가 환기의 전체적 균일성에 거의 영향을 미치지 않으므로 돼지가 없는 상태에서 CFD를 실시하였다. 이때 적용한 난류 모델은 표준 k-E 모델을 적용하였으며, 연속방정식에 나타나는 항들의 이산화에는 PRESTO 스킴을 적용하였고, 해의 수렴기준은 continuity와 velocity의 경우 10J, energy의 경우 10"6 이하였으며, CFD 시뮬레이션시에 입력한 사양과 분석모델은 표 3과 같다
본 연구에서는 표 2와 같이 실험 돈사에 대한 CFD 시뮬레이션을 실시하였다.
1698 n?/s이었으며, 이를 입기구의 면적으로 나누어 입기구 속도를 계산하였다. 이와 같이 계산한 입기구 속도로 외부 공기가 실험돈사 내부로 유입되는 조건 하에서 실험 돈사의 공기 유동형태를 분석 하고자 Fluent(Ver. 6.2, ANSYS Inc., Canonsburg, PA, U.S.A.)로 3차원 CFD 시뮬레이션을 실시하였다. 분석된 3차원 시뮬레이션 결과를 토대로 하여 개선 전.
3 m 크기의 소규모 음압 터널 환기 방식 무창자돈사에 대하여 겨울철 최소 환기량을 기준으로 CFD 시뮬레이션을 실시함으로써 겨울철 최적 환기를 위한 입기구의 크기, 입공기 속도 및 돈방 사이의 펜스 높이 등을 구명하고자 수행되었다. 입기구 크기를 폭 350 cm X 높이 2 cm와 폭 350 cm x 높이 3 cm의 두 수준으로 또한 첫 번째 돈방과 두 번째 돈방 사이의 펜스 높이를 70 cm와 100 cm의 두 수준으로 하여 2><2로 실험을 설계한 후 CFD 시뮬레이션을 하였다. 그 결과에 의하면, 입기구 크기를 350 cm X 2 cm에서 350 cm X 3 cm로 확대하고 첫 번째 돈방과 두 번째 돈방 사이에 있는 펜스를 70 cm 높이에서 100 cm 높이로 높였을 때 첫 번째 돈방에 신선한 입공기가 많이 떨어지는 반면에 두 번째 돈방에는 적게 떨어지는 효과에 의해 환기가 균일하게 되는 것으로 분석되었다 또한 이때 입기구의 중앙풍속은 1.
전. 후무창자돈사의 입기구 풍속, 각 Type별 돈방 내 틈바닥 위 10 cm 높이의 풍속을 즉정하였다. 이때 사용한 풍속계는 SY- MPM(SUNYOUNG SYSETC Inc.
분석된 3차원 시뮬레이션 결과를 토대로 하여 개선 전.후의 틈바닥 위 10 cm 높이에서의 공기유동형태를 분석하여 균일한 환기를 위한 입기구의 크기와 펜스의 높이 등을 구명하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 소규모 음압터널환기방식 무창자돈사는그림 1과 그림 2처럼 돈방이 4개 있는 폭 5.2 m, 길이 12.3 m, 높이 2.3 m의 크기로 된 돈사였다. 돈사에서 돈방을 제외한 우측 공간이 작업통로였고, 별도의 템퍼링 공간은 없었다.

이론/모형

또한 무창돈사 환기에 있어서 가장 중요한 것이 돈방간 차이를 최소화 하는 것, 즉 균일하게 환기하는 것이기 때문에 시뮬레이션 시에 돼지의 존재 여부가 환기의 전체적 균일성에 거의 영향을 미치지 않으므로 돼지가 없는 상태에서 CFD를 실시하였다. 이때 적용한 난류 모델은 표준 k-E 모델을 적용하였으며, 연속방정식에 나타나는 항들의 이산화에는 PRESTO 스킴을 적용하였고, 해의 수렴기준은 continuity와 velocity의 경우 10J, energy의 경우 10"6 이하였으며, CFD 시뮬레이션시에 입력한 사양과 분석모델은 표 3과 같다
실험돈사의 제원과 동일하게 돈사의 구조를 Gambit(Ver. 2.2, ANSYS Inc., Canonsburg, PA, U.S.A.)을 이용하여 모델링하였는데, 틈바닥은 공기유동형태에 크게 영향을 미치지 않을 것으로 판단하여 모델링에 포함하지 않았다. 그림 3과 같이 격자망(mesh)의 구성이 CFD 시뮬레이션 시 계산시간 및 계산의 정확도에 영향을 미치기 때문에 입기구와 배기팬 부근에서는 더욱 더 조밀하게 3차원으로 격자망을 구성, 격자의 개수는 약 48만개이었다.

성능/효과

입기구 크기를 폭 350 cm X 높이 2 cm와 폭 350 cm x 높이 3 cm의 두 수준으로 또한 첫 번째 돈방과 두 번째 돈방 사이의 펜스 높이를 70 cm와 100 cm의 두 수준으로 하여 2><2로 실험을 설계한 후 CFD 시뮬레이션을 하였다. 그 결과에 의하면, 입기구 크기를 350 cm X 2 cm에서 350 cm X 3 cm로 확대하고 첫 번째 돈방과 두 번째 돈방 사이에 있는 펜스를 70 cm 높이에서 100 cm 높이로 높였을 때 첫 번째 돈방에 신선한 입공기가 많이 떨어지는 반면에 두 번째 돈방에는 적게 떨어지는 효과에 의해 환기가 균일하게 되는 것으로 분석되었다 또한 이때 입기구의 중앙풍속은 1.4 m/s 정도로 나타나, 소규모 음압터널환기방식 무창돈사에서는 입공기 속도가 일반 권장치인 3.0-5.1 m/s보다 낮아야 되는 것으로 분석되었다.
그리나 그림 5-c와 입기구 높이를 3 cm로 높임과 동시에 ①번 돈방과 ②번 돈방 사이의 펜스 (D의 높이를 100 cm로높인 그림 5-d를 비교해 보면, 외부로부터 유입된 공기가 그림 4-d처럼 ①번 돈방에 신선한 공기가 보다 많이 떨어짐에 따라 돈방 바닥으로부터 10 cm 높이에서의 풍속이 좀 더 균일하게 분포하는 것을 알 수 있었다. 이처럼 균일하게 환기가 됨에 따라 불균일한 환기로 인한 호흡기 질병과 추위 스트레스 등과 관련된 문제들이 나타나지 않을 것으로 분석되었다.
이에 따라 입기구를 통하여 유입된 신선한 외부공기가 ①번 돈방에 좀 더 많이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 입기구 크기가 350 cm X 3 cm 이고 펜스 #의 높이가 70 cm일 때의 그림 4-c와 입기구 크기가 350 cm X 3 cm이고 펜스 #의 높이가 100 cm일 때의 그림 4-d를 비교해 보면, 펜스#의 높이를 70 cm에서 100 cm로 높게 함으로써 입기구를 통하여 유입된 신선한 외부 공기가 ①번 돈방과 ②번 돈방 사이의 펜스 #에 보다 많이 부딪히게 할 수 있었으며, 이로 인하여 입기구를 통하여 유입된 신선한 외부공기가 ①번 돈방에 좀 더 많이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 4-a, 4-b, 4-c 및 4-d를 비교해보면, 입기구 크기가 350 cm X 3 cm이고 펜스#의 높이가 100 cm일 때(Type IV), 가장 많이 ①번 돈방에 입기구를 통하여 유입된 신선한 외부공기가 가장 많이 떨어지는 반면에 ②번돈방에는 상대적으로 적게 떨어지는 것을 알 수 있다.
이상의 결과들을 종합해 볼 때, 입기구 크기를 350 cm X 2 cm에서 350 cm X 3 cm로 확대하여 입공기 속도를 2.12 m/s 정도에서 1.4 m/s 정도로 저하시키고 ①번 돈방과 ②번돈방 사이에 있는 펜스 #의 높이를 70 cm에서 100 cm로 높여 입공기가 펜스에 많이 부딪혀 ①번 돈방에 많이 떨어지는 반면에 ②번 돈방에는 적게 떨어지도록 함으로써 균일하게 환기되도록 할 뿐만 아니라 환기효율을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
같다. 입기구 크기가 350 cm X 2 cm이고 ①번 돈방과 ② 번 돈방 사이의 펜스 ④의 높이가 70 cm일 때의 그림 4-a와입기구 크기가 350 cm X 3 cm이고 펜스(D의 높이가 70 cm 일 때의 그림 4-c를 비교해 보면, 입기구 높이를 2 cm에서 3 cm로 크게 하여 입기구 중앙 풍속을 2.12 m/s 정도에서 1.4 m/s 정도로 저하시킬 수 있었다. 이에 따라 입기구를 통하여 유입된 신선한 외부공기가 ①번 돈방에 좀 더 많이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
개선하기 전 무창자돈사에서는 입기구의 크기가 작음으로 인하여 입공기 풍속이 높게 유지되어 입기구 쪽에 위치한 ①번 돈방에는 신선한 외부공기가 거의 떨어지지 않고 대부분 ②번 돈방에 떨어지는 현상이 나타날 것으로 예측되었다. 즉 돈방 바닥으로부터 10 cm 높이의 풍속이 ①번 돈방과 ②번 돈방간에 차이 많이 나고 공기의 질도 다를 것으로 판단되었다. 따라서 표 1과 같이 소규모 무창자돈사의 입기 구의 크기와 펜스의 높이를 변경하였으며, 다른 돈사 시설의 경우 변경을 실시하지 않았다.

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