회전익 드론의 후류에서 발생하는 강한 유동과 살포되는 농약 노즐에서의 스프레이 유동이 동반될 경우, 극심한 기체의 요동과 함께 액적 유동은 바람의 영향을 크게 받게 된다. 특히 액적은 공기역학적인 항력의 영향을 받기 때문에 단순한 제자리 비행과는 달리 전진 비행을 할 경우 또는 측풍을 받고 있을 경우, 살포 영역에 큰 변화가 발생한다. 이로 인하여 드론을 활용한 농약살포에는 보다 큰 비산의 위험성이나 위치간의 낙하분산에 차이가 커져 효율성이 떨어질 수 있는 문제가 생긴다. 따라서 적절한 수치 모델링과 이를 적용한 전산 시뮬레이션을 통하여 다양한 비행 및 대기 조건을 적용할 수 있는 예측 도구가 필요하다. 본 연구에서는 로터에서 나오는 강한 하풍과 드론의 비행속도에 따른 액적 유동 특성에 대해 실험 및 수치해석을 진행하였으며, 액적이 분포하는 확률밀도함수를 구하여 서로 비교함으로써 농약살포용 드론에서 액적을 살포할 시 효율성을 증진시킬 수 있는 분사 시스템을 구축하고자 한다.
회전익 드론의 후류에서 발생하는 강한 유동과 살포되는 농약 노즐에서의 스프레이 유동이 동반될 경우, 극심한 기체의 요동과 함께 액적 유동은 바람의 영향을 크게 받게 된다. 특히 액적은 공기역학적인 항력의 영향을 받기 때문에 단순한 제자리 비행과는 달리 전진 비행을 할 경우 또는 측풍을 받고 있을 경우, 살포 영역에 큰 변화가 발생한다. 이로 인하여 드론을 활용한 농약살포에는 보다 큰 비산의 위험성이나 위치간의 낙하분산에 차이가 커져 효율성이 떨어질 수 있는 문제가 생긴다. 따라서 적절한 수치 모델링과 이를 적용한 전산 시뮬레이션을 통하여 다양한 비행 및 대기 조건을 적용할 수 있는 예측 도구가 필요하다. 본 연구에서는 로터에서 나오는 강한 하풍과 드론의 비행속도에 따른 액적 유동 특성에 대해 실험 및 수치해석을 진행하였으며, 액적이 분포하는 확률밀도함수를 구하여 서로 비교함으로써 농약살포용 드론에서 액적을 살포할 시 효율성을 증진시킬 수 있는 분사 시스템을 구축하고자 한다.
When there is a spray flow such as from a pesticide nozzle, winds affect the droplet flow of a rotary-wing drone accompanied by a strong wake, with a severe oscillation. Especially, during forwarding flights or when winds come from the side, compare to a simple hovering flight as the droplet is in t...
When there is a spray flow such as from a pesticide nozzle, winds affect the droplet flow of a rotary-wing drone accompanied by a strong wake, with a severe oscillation. Especially, during forwarding flights or when winds come from the side, compare to a simple hovering flight as the droplet is in the effect of aerodynamic drag force, the effect of spraying region becomes even larger. For this reason, the spraying of pesticides using drones may cause a greater risk of scattering or a difference in droplet dispersion between locations, resulting in a decrease in efficiency. Therefore, through proper numerical modeling and its applied simulation, an indication tool is required applicable for the various flight and atmospheric conditions. In this research, we completed both experiment and numerical analysis for the strong downwash from the rotor and flight velocity of the drone by comparing the probability density function of droplet distribution to build a spraying system that can improve the efficiency when spraying droplets in the pesticide spray drone.
When there is a spray flow such as from a pesticide nozzle, winds affect the droplet flow of a rotary-wing drone accompanied by a strong wake, with a severe oscillation. Especially, during forwarding flights or when winds come from the side, compare to a simple hovering flight as the droplet is in the effect of aerodynamic drag force, the effect of spraying region becomes even larger. For this reason, the spraying of pesticides using drones may cause a greater risk of scattering or a difference in droplet dispersion between locations, resulting in a decrease in efficiency. Therefore, through proper numerical modeling and its applied simulation, an indication tool is required applicable for the various flight and atmospheric conditions. In this research, we completed both experiment and numerical analysis for the strong downwash from the rotor and flight velocity of the drone by comparing the probability density function of droplet distribution to build a spraying system that can improve the efficiency when spraying droplets in the pesticide spray drone.
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가설 설정
가정 1: 드론의 전진비행속도는 상대속도로서 정면에서 맞바람이 분다고 가정하여 그림 9의 “Wind”면에 적용한다.
가정 2: 전진 비행 시 로터면 각이 5° 이내로 매우 작아 유도속도(vi)에 영향을 미치지 않는다고 가정한다.
후류에서의 흐름은 대기압이 p∞이고 정지해 있는 로터 윗면의 공기에서 나오며, 먼 하류에서는 압력이 다시 p∞로 회복된다고 가정한다.
제안 방법
가로 7개, 세로 5개 총 35개의 감수지를 살포 예상범위에 지정한 거리에 설치하였고, 그 위를 드론이 지나가면서 액적을 살포하였다.
해석 격자는 자유 사면체(free tetrahedral)의 격자를 사용하여 구성하였다. 격자의 개수는 3,654,853개이며 액적이 분무되는 노즐 내부 유동공간이 매우 좁기 때문에 적절한 유동현상을 위해 노즐부에 조밀하게 격자를 생성하였다. 또한 노즐 내부 벽면과 해석모델 바닥에서의 유동이 벽면의 영향 즉, 유체의 점성에 의한 벽면 점착조건으로 발생하는 경계층(boundary layer)을 적절하게 해상하기 위하여 노즐부와 바닥부분에 8개의 층(layer)을 구성하였다.
위 가정들로 드론의 전진비행속도는 노즐 정면 벽에 바람속도를 적용하였으며, 로터에서 수직하방으로 나오는 바람속도는 구동원반이론의 식 (8)을 적용하였다. 노즐에서의 물 유입은 실험에서 적용된 유량조건을 주었고, 옆면과 윗면은 열린 경계조건(boundary condition)의 대기압을 주었으며 뒷면은 출구 조건의 대기압을 적용했다. 아랫면은 미끄러짐이 없는 벽 조건을 적용하였다.
드론의 고도는 농촌진흥청에서 제안한 2∼3 m의 고도별(2 m, 2.5 m, 3 m) 반복 실험을 진행하였다[6].
드론의 비행속도 2 m/s, 2.5 m/s, 3 m/s에 대해서 감수지에 묻은 액적을 농약낙하분산조사지표를 통해 측정하였다.
드론의 비행속도에 따른 액적 분포도 영향에 대한 실험으로 농약살포용 드론의 노즐에서 분사되는 액적이 드론의 전진비행속도에 따라 분포되는 특성에 대해 데이터를 수집 및 분석하였다.
또한 노즐 내부 벽면과 해석모델 바닥에서의 유동이 벽면의 영향 즉, 유체의 점성에 의한 벽면 점착조건으로 발생하는 경계층(boundary layer)을 적절하게 해상하기 위하여 노즐부와 바닥부분에 8개의 층(layer)을 구성하였다.
본 논문에서는 고도 3 m일 때 드론의 로터에서 나오는 강한 하풍과 비행속도(2 m/s, 2.5 m/s, 3 m/s)에 따른 액적의 낙하분포 특성에 대한 실험을 진행 후 상용코드인 ANSYS CFX 수치해석 결과와 비교하였다.
본 논문에서는 드론의 로터에서 나오는 강한 하풍과 비행속도에 따른 액적의 낙하 분포 특성에 대한 실험을 진행 후 상용코드인 ANSYS-CFX 수치해석 결과와 비교하였다.
대상 데이터
가로 15 m, 세로 10 m, 높이 3.5 m의 직육면체 형상이며, 로터의 회전면의 직경은 0.76m이다.
실험장비는 헥사콥터와 액적분포지수를 측정할 수 있는 감수지를 사용하였다. 그림 2는 실험에 사용된 헥사콥터(hexacopter)이며, 농약살포용 드론으로 제작되었다. 실험에 사용된 드론의 제원은 표.
76m이다. 실험에서 사용한 노즐을 3차원 모델링하여 해석에 적용하였고, 바닥에서부터 노즐까지의 높이는 3 m이다. 또한 로터와 노즐사이의 거리는 0.
드론의 비행속도에 따른 액적 분포도 영향에 대한 실험으로 농약살포용 드론의 노즐에서 분사되는 액적이 드론의 전진비행속도에 따라 분포되는 특성에 대해 데이터를 수집 및 분석하였다. 이 실험은 2019년 10월 14일 군산대학교 대운동장에서 진행하였으며, 바람이 가장 약한 오전 7-9시 사이에 진행하였다. 실험장비는 헥사콥터와 액적분포지수를 측정할 수 있는 감수지를 사용하였다.
45 m이다. 해석 격자는 자유 사면체(free tetrahedral)의 격자를 사용하여 구성하였다. 격자의 개수는 3,654,853개이며 액적이 분무되는 노즐 내부 유동공간이 매우 좁기 때문에 적절한 유동현상을 위해 노즐부에 조밀하게 격자를 생성하였다.
이론/모형
수치해석 프로그램은 상용코드인 ANSYS-CFX ver.19를 사용하였고, 난류 모델(turbulence model)은 표준 k-∊ 모델을 사용하였다.
지배방정식(governing equation)은 식 (9)와 식 (10)의 3차원 비압축성 Navier-stokes 방정식을 사용하였다.
성능/효과
실험과 수치해석결과 모두에서 속도가 빨라짐에 따라서 분포폭이 좁아지는 경향을 확인할 수 있었다. 2 m/s에서는 액적이 분포되는 폭이 가장 넓으나 위치간의 낙하분산에 차이가 큰 것을 확인할 수 있었다.
각 그림에서 3차원적인 와류 구조가 확연히 보이며, 전진속도(advance velocity)의 차이에 따라 와류의 묶음 가닥들(vortex filaments)이 더 크게 형성이 되고, 3 m/s일 때는 완전히 비행 궤적과 평행하게 뻗어나가는 현상을 보여준다. 이상의 형상으로부터, 풍속이 강할수록 유도속도보다 전진속도의 영향을 상대적으로 더 많이 받는다는 사실을 알 수 있다.
해석결과 비교에서 실험 결과와 수치해석결과에 드론 동체의 영향, 난류 강도의 차이, 외부 측풍 등의 원인으로 오차가 생기는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
해석결과 비교에서 실험 결과와 수치해석결과에 드론 동체의 영향, 난류 강도의 차이, 외부 측풍 등의 원인으로 오차가 생기는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 주어진 비행 조건에서 노즐의 형상이 바뀔 때 도포되는 농약의 분포에 대한 보다 정밀한 시뮬레이션이 가능할 것으로 보인다. 이 데이터를 바탕으로 작물의 종류와 생장 과정에서 적절한 농약 살포 방법에 대한 가이드라인을 설정하는 선행 연구로 사용할 수 있다.
속도가 빠를수록 더 큰 기울기를 가지게 되므로 로터의 회전면으로부터 나오는 하풍의 방향도 영향을 미칠 것이라 판단되며, 향후 연구에서는 실험과 수치해석의 오차를 줄이는 부분에 대해 연구를 진행할 예정이다.
이 데이터를 바탕으로 작물의 종류와 생장 과정에서 적절한 농약 살포 방법에 대한 가이드라인을 설정하는 선행 연구로 사용할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
드론의 도입은 어떠한 분야에서 확대되고 있는가?
무인항공기를 대표하는 드론은 건설, 의학, 기상, 지리, 환경, 예술, 농업 분야 등 다양한 분야에서 드론 도입이 확대됨에 따라서, 드론의 글로벌 시장 규모 또한 연 평균 10% 이상의 높은 성장세를 전망하고 있다[1,2]. 특히 농업 분야에서는 최근 농가 고령화로 인한 인력부족으로 농약살포용 드론의 사용이 급격하게 늘고 있는 실정이다[3].
농약살포의 가장 큰 문제는 무엇인가?
그러나 농약살포용 드론에 대한 규제혹은 지침은 아직 완전하지 못한 상황이다. 농약살포에 있어서 가장 큰 문제는 비산(scattering)의 위험성이다. 액적(droplet)은 아주 작고 가볍기 때문에 바람에 큰 영향을 받는다.
드론을 활용한 농약살포의 효율성을 높이는데 필요한 예측도구는 무엇인가?
이로 인하여 드론을 활용한 농약살포에는 보다 큰 비산의 위험성이나 위치간의 낙하분산에 차이가 커져 효율성이 떨어질 수 있는 문제가 생긴다. 따라서 적절한 수치 모델링과 이를 적용한 전산 시뮬레이션을 통하여 다양한 비행 및 대기 조건을 적용할 수 있는 예측 도구가 필요하다. 본 연구에서는 로터에서 나오는 강한 하풍과 드론의 비행속도에 따른 액적 유동 특성에 대해 실험 및 수치해석을 진행하였으며, 액적이 분포하는 확률밀도함수를 구하여 서로 비교함으로써 농약살포용 드론에서 액적을 살포할 시 효율성을 증진시킬 수 있는 분사 시스템을 구축하고자 한다.
참고문헌 (8)
S.W. Kim, "Prototype design for unmanned aerial vehicle-based BigData Processing," Smart Media Journal, vol. 5, no. 2, pp. 51-58, 2016.
N.H. Kim, "Development of atmospheric environment information collection system using drone," Smart Media Journal, vol. 7, no. 4, pp. 41-51, 2018.
I.H Ra. S.W. Kim, and Y.S. Choi, "Research on improvement of pesticide spray efficiency using multicopter," Korean Institute of Smart Media, vol. 7, no. 2, pp. 68, 2018.
W.S. Im, S.R. Angsantto, and Y.H. Yang, "Manless Flight Device Including Launcher for Agriculture," Korean Patent, 10-1694636, 2017.
S. Lee, G. Choi, and S.M. Chang, "Helicopter Engineering," Inter-Vision, 2002, Translated from the English version: S. Newman, Fundamentals of Helicopter Flight, Edward Arnold, London, 1994.
농촌진흥청, 무인항공방제용 농약등록시험 기준 개선 http://www.rda.go.kr/board/board.do?boardIdfarmprmninfo&prgIdday_farmprmninfoEntry&currPage1&dataNo100000758391&modeupdateCnt&searchSDate&searchEDate&totalSearchYnYY (accessed Dec., 24, 2019).
최지영 외 7명, "드론의 비행속도와 고도 및 노즐의 종류가 물입자의 낙하에 미치는 영향," 한국농약과학회 추계학술발표회, 76쪽, 2019년
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