[논문]풍동실험을 통한 배과원 방충망의 풍하중 및 항력계수 평가

송호성; 유석철; 김유용; 임성윤

doi:10.5389/ksae.2019.61.1.075

풍동실험을 통한 배과원 방충망의 풍하중 및 항력계수 평가
Evaluation of Wind Load and Drag Coefficient of Insect Net in a Pear Orchard using Wind Tunnel Test 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.61 no.1, 2019년, pp.75 - 83

송호성 (National Institute of Agricultural Sciences) , 유석철 (National Institute of Agricultural Sciences) , 김유용 (National Institute of Agricultural Sciences) , 임성윤 (National Institute of Agricultural Sciences)

Abstract ▼ AI-Helper

Fruit bagging is a traditional way to produce high-quality fruit and to prevent damage from insects and diseases. Growing pears by non-bagging is concerned about the damage from insect, it can be controlled by installing a insect net facility. Wind load should be considered to design the insect net facility because it has the risk of collapse due to the strong wind. So we carried out wind tunnel test for measurement of drag force, where the insect net with porosity about 65% is selected as an experimental subject. As a result of the test, drag force was measured to be 244.14 N when insect net area and wind speed are $1m^2$ and 22.7 m/s respectively. And, drag coefficients for the insect net were found to be about 0.55~0.57, which may be used as the preliminary data to design the insect net facilities at the orchard.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 Test bed for the insect net facility at Pear Research Station, Naju, Korea
그림 Fig. 2 Detailed shape and size of the in sect net used inthe wind tunnel test
그림 Fig. 3 Overview and main parts of the wind tunnel
표 Table 1 Specifications of the wind tunnel located at National Agricultural Institute Sciences (NAS), Jeonju, Korea
그림 Fig. 4 Wind speed vertical profile at wind tunnel
표 Table 2 Results of wind tunnel test according to connection methods between load cells and insect net
그림 Fig. 5 Diagram of wind tunnel test setup
그림 Fig. 6 Wind tunnel test setup
그림 Fig. 7 Wind speed of windward in baffle plate vs. Fan speed of wind tunnel
그림 Fig. 8 Shape change of 1 ㎡ insect net by wind speed
그림 Fig. 9 Results of measuring load of insect net by swept area
그림 Fig. 10 Drag force by swept area of insect net
그림 Fig. 11 Drag force by wind speed
표 Table 3 Wind load of insect net according to wind speed and swept area
표 Table 4 Drag coefficient of insect net according to wind speed and swept area
그림 Fig. 12 Drag coefficient by swept area
그림 Fig. 13 Drag coefficient by wind speed

AI 본문요약
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문제 정의

이로 인하여 바닥면으로부터 일정 높이까지는 흐름이 균일하지 못한 자유경계층이 형성된다. 본 연구에서는 방충망에 균등류 상태의 일정한 풍속을 적용하기 위해서 기초실험을 실시하였다. Fig.
본 연구에서는 배 무봉지재배를 위한 망시설 설계에 필요한 풍하중을 산정하기 위하여, 풍동실험을 통해 방충망의 항력을 측정하고 그로부터 항력계수를 추출하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 해충 피해 여부와 작물생육 상태를 모니터링하기 위해 현재 국립원예특작과학원 배연구소에 설치된 방충망시설 테스트베드에 사용된 방충망 재료의 바람에 대한 특성 값으로써 항력계수를 구하고자 하였다. 항력 등의 공기력계수는 임의의 구조물 또는 재료의 단면형상이나 다공률(porosity) 등에 따라 다른 값을 갖게 되며, 보통 풍동실험을 통해 얻을 수 있다.
이에 방충망의 항력을 측정하기 위한 풍동실험 방법을 개발하였으며, 이를 통해 측정된 항력을 이용하여 방충망의 항력계수를 구하였다. 제시된 항력계수는 추후 실제 농가에서 사용하게 될 방충망시설 설계 시 필요한 풍하중을 산정하기 위한 기초자료로써 활용하고자 한다.

제안 방법

5와 같이 방충망의 양쪽에 로드셀을 각각 세 개씩 설치하여 항력을 안정적으로 측정할 수 있도록 하였다. 그러나 방충망은 유연한 물체로 힘을 전달하기 힘든 구조이므로 본 실험에서는 로드셀과 연결하는 좌우 가장자리는 농업시설에서 비닐이나 망을 씌울 때 일반적으로 사용하는 피복패드를 이용하여 고정하였으며, 상하 가장자리는 피아노강선을 이용하여 방충망의 외형이 사각을 유지되도록 틀을 잡아주었다.
먼저 수풍면적에 대한 영향을 알아보기 위해 방충망의 폭을 1 m로 동일하게 한 상태에서 수풍면적을 0.6∼1.35 ㎡까지 5단계로 변경하였으며, 풍속에 대한 영향은 풍속범위를 약 1∼22 m/s까지 올려가며 방충망에 걸리는 항력을 측정하였다.
이를 위해 풍동 내에 크기가 2×2 m인 보조구조물을 기류방향으로 세워서 균등한 공기의 흐름 속에 방충망을 거치하였다. 방충망을 로드셀에 연결하는 방법에 따른 영향을 분석하기 위해 Table 1의 2가지 방법으로 로드셀과 방충망을 연결한 후, 풍속을 계속 올려가며 데이터를 획득하는 기초실험을 실시하였다. Case 1은 보조구조물의 외부에 로드셀을 설치하고 방충망의 끝을 피아노강선을 통해 힘을 전달하는 방식으로, 로드셀이 기류의 흐름에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다.
이를 위해 풍동 내에 크기가 2×2 m인 보조구조물을 기류방향으로 세워서 균등한 공기의 흐름 속에 방충망을 거치하였다.
그런데 항력을 측정할 시 방충망 전면 풍상측에 풍속계를 설치하게 되면 기류에 영향을 미치게 되어 정확한 측정을 할 수 없다. 이에 경계층 확인 시 사용했던 다점풍속계 (KANOMAX, Japan)를 사용하여 사전에 도류판 내 방충망의 풍상측 중앙에서 샘플링속도 10 Hz로 1분간 풍속을 측정하였다. 항력 측정 시에는 풍속계를 제거하고 사전에 측정한 풍속의 평균값에 대한 풍동팬의 회전속도를 이용하여 실험을 실시하였다.
항력 등의 공기력계수는 임의의 구조물 또는 재료의 단면형상이나 다공률(porosity) 등에 따라 다른 값을 갖게 되며, 보통 풍동실험을 통해 얻을 수 있다. 이에 방충망의 항력을 측정하기 위한 풍동실험 방법을 개발하였으며, 이를 통해 측정된 항력을 이용하여 방충망의 항력계수를 구하였다. 제시된 항력계수는 추후 실제 농가에서 사용하게 될 방충망시설 설계 시 필요한 풍하중을 산정하기 위한 기초자료로써 활용하고자 한다.
식 (3)에서 항력계수만 결정되면 임의의 공기밀도, 풍속 및 수풍면적에 대해서 항력을 쉽게 계산할 수 있다. 이에 본 연구에서는 풍동실험을 통해 측정된 방충망의 항력을 다음 식 (4) 에 대입하여 항력계수를 계산하였다.
이에 비해 Case 2는 전 구간에서 Case 1에 비해 양쪽 로드셀에 걸리는 하중의 편차가 작게 나타났다. 이에 풍동실험 방법으로 로드셀과 방충망을 직접 연결하는 방식을 택하고, 최종적으로 Fig. 5와 같이 방충망의 양쪽에 로드셀을 각각 세 개씩 설치하여 항력을 안정적으로 측정할 수 있도록 하였다. 그러나 방충망은 유연한 물체로 힘을 전달하기 힘든 구조이므로 본 실험에서는 로드셀과 연결하는 좌우 가장자리는 농업시설에서 비닐이나 망을 씌울 때 일반적으로 사용하는 피복패드를 이용하여 고정하였으며, 상하 가장자리는 피아노강선을 이용하여 방충망의 외형이 사각을 유지되도록 틀을 잡아주었다.
최대 100 N까지 측정이 가능한 S-beam 형태의 로드셀 (Fig.6a, CSBA-10L, CURIOTEC, Korea)이 하중 측정에 사용되었으며, DAQ 시스템 (Fig. 6b, SCXI-1000, SCXI-1520 andSCXI-1314, National Instrument, USA)을 통해 샘플링속도 1kHz로 1분 동안 측정하여 평균하였다. Fig.
이에 경계층 확인 시 사용했던 다점풍속계 (KANOMAX, Japan)를 사용하여 사전에 도류판 내 방충망의 풍상측 중앙에서 샘플링속도 10 Hz로 1분간 풍속을 측정하였다. 항력 측정 시에는 풍속계를 제거하고 사전에 측정한 풍속의 평균값에 대한 풍동팬의 회전속도를 이용하여 실험을 실시하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 풍동은 농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부에 설치된 개방형 아음속 경계층 풍동으로 약 34 m이다. Table 1에서 풍동의 주요 사양을 정리하였다.
(1999)은 배를 무봉지 재배할 경우 병해충의 방제와 작물의 생육을 고려하였을 때 격자의 크기가 약 4 mm인 방충망이 적당한 것으로 보고하고 있다. 이에 본 연구에서는 현재 국립원예특작과학원 배연구소의 배 무봉지재배 테스트베드 (Fig. 1)에 설치되어 있는 Fig. 2와 같은 형태와 격자크기를 갖는 방충망을 사용하였다. 망의 재질은 UV산화방지제가 첨가된 폴리에틸렌이며, 원형 가닥들을 엮어 만든 형태이다.

성능/효과

1) 방충망과 로드셀은 와이어를 통한 연결보다는 직접 연결하는 방법이 양쪽 로드셀에 걸리는 하중 값의 편차를 줄일 수 있고, 데이터를 안정적으로 획득할 수 있는 것으로 나타났다.
2) 방충망의 수풍면적을 0.6∼1.35 ㎡로 하고 각각의 경우에 대해 풍속을 약 1∼22 m/s로 변경하며 항력을 측정한 결과, 방충망에 작용하는 항력은 풍속의 제곱에 비례하고 수풍면적에는 비례하는 것으로 나타났다.
3) 풍동실험 시 높은 폐쇄율로 인한 벽면효과는 발생하지 않은 것으로 보이는데, 이는 실험에 사용된 방충망의 다공률이 약 65% 정도로 높아서 실험 단면을 통과하는 기류의 흐름에 영향을 거의 미치지 않은 것으로 판단된다.
4) 방충망의 항력계수는 10 m/s 이하의 저풍속에서는 0.6∼0.7 범위에 있으나, 고풍속인 20 m/s이상에서 0.55∼0.57의 범위에서 수렴하는 것으로 보인다.
10과 11에서 그 결과를 도시하였다. 결과를 살펴보면 방충망에 걸리는 항력은 동일한 풍속에서는 수풍면적에 비례하고, 동일한 수풍면적에서는 풍속의 제곱에 비례하는 것으로 분석되었다. 이것은 구조물의 항력을 계산하는 이론식인 식 (3)에 비추어 볼 때, 본 연구에서의 풍동실험이 적절하게 수행되었다고 볼 수 있다.
모든 경우에서 좌측과 우측의 하중 값에서 약간의 편차가 발생하였으며, 방충망의 면적에 따른 차이는 없는 것으로 보인다. 그리고 중앙부에 가장 큰 하중이 걸리는 것으로 나타났으며, 면적이 커질수록 중앙부에 위치한 로드셀이 부담하는 하중비율이 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 상부와 하부 로드셀의 위치가 중앙부를 기준으로 ±55 cm로 고정인 상태에서 방충망의 면적이 증가할수록 부담하는 하중이 점점 증가한 것으로 보이며, 전체하중 값에는 영향이 없는 것으로 판단된다.
여기서 Loadcell #2와 #5가 방충망의 중앙부분 높이에서의 하중 값이며, 나머지는 상단과 하단에서의 하중 값이며, Loadcell #1∼#3은 풍상측 기준하여 좌측이고 Loadcell #4∼#6이 우측이다. 모든 경우에서 좌측과 우측의 하중 값에서 약간의 편차가 발생하였으며, 방충망의 면적에 따른 차이는 없는 것으로 보인다. 그리고 중앙부에 가장 큰 하중이 걸리는 것으로 나타났으며, 면적이 커질수록 중앙부에 위치한 로드셀이 부담하는 하중비율이 감소하는 것으로 나타났다.
8은 수풍면적이 1 m²인 방충망의 풍동실험 시 시험부의 상단에서 찍은 사진을 풍속별로 보여주고 있다. 방충망은 풍속이 증가할수록 계속 부풀어 올랐으며, 풍속 약 20 m/s에서 방충망의 중앙부가 최대 약 30 cm정도까지 부풀어 오르는 것이 관찰되었다. 이것은 방충망을 구성하고 있는 원형 가닥들 자체의 탄성에 의한 것이며, 수풍면적은 변하지 않기 때문에 실험결과에 미치는 영향은 거의 없을 것으로 판단된다.
그런데 Castro(1971)에 의하면 망의 다공률이 30% 이상인 경우 와류가 거의 발생하지 않는 것으로 보고하고 있다. 본 연구에서 사용된 방충망은 다공률이 약 65%로 박리현상으로 인한 후류의 변화가 거의 발생 하지 않을 것으로 판단되어 방충망의 상하부 기류에 대한 영향은 고려하지 않았다.
4는 다점풍속계 (Multi Channel Anemomaster 6243 and Probe 0965-00,KANOMAX, Japan)를 사용하여 풍동 내 높이별로 총 10점에서 샘플링속도 10 Hz로 1분간 측정하여 평균한 풍속을 나타내고 있다. 풍속 측정 결과, 풍동 바닥판에서 높이 약 40 cm 이상부터 대체로 일정한 풍속의 흐름이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
풍속에 대해 살펴보면 5 m/s 이하의 저풍속 범위에서는 항력계수의 변동이 있으나, 풍속이 증가할수록 감소하는 경향을 보이고 있으며, 풍속이 약 20 m/s를 넘는 범위에서는 약 0.55∼0.57의 범위에서 수렴하는 것으로 보인다.

후속연구

5) 본 연구에서 제시하는 항력계수를 이용하여 추후 동일한 규격의 망을 이용한 방충망 시설 설계 시, 기류방향에 대한 풍하중을 산정하는 기초자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
5%로 두 배 이상 차이 나지만, 방충망 면적에 대한 항력의 선형성은 유지되고 있다. 이는 방충망의 높은 다공률로 인하여 실제 폐쇄율은 이보다 작게 나타나는 것으로 생각해 볼 수 있으며, 본 실험에서는 폐쇄율로 인한 벽면효과는 고려하지 않아도 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	봉지 씌우기의 목적은 무엇인가?	배를 재배하는 농가는 병해충을 방제하고, 과실의 빛깔을 좋게 하여 상품성을 향상시킬 목적으로 봉지 씌우기를 실시하고 있다. 배 봉지 씌우기 작업은 10 a(=1000 ㎡)당 28 시간(전체 배 재배 노동시간 10 a당 171 시간의 약 16%)의 노동시간이 필요하다 (Kim, 2013).
	무봉지 재배가 대안으로 요구되는 이유는?	7%에 비해 거의두 배 증가하였다 (KOSTAT, 2016). 이러한 농가인구 감소와 고령화는 배 재배과정 중 오로지 수작업에 의존해야 하는 봉지 씌우기 작업을 점점 어렵게 만들고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 배를 무봉지로 재배하는 것이 대안으로 제시되고 있다. Yim et al.
	풍하중 산정의 이론식에 실험이 잘 부합하는 이유는?	6∼1.35 ㎡로 하고 각각의 경우에 대해 풍속을 약 1∼22 m/s로 변경하며 항력을 측정한 결과, 방충망에 작용하는 항력은 풍속의 제곱에 비례하고 수풍면적에는 비례하는 것으로 나타났다. 이는 풍하중 산정의 이론식에 잘 부합하며 실험이 잘 실시되었다고 볼 수 있다.

참고문헌 (16)

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