토마토 작물의 공기저항 예측을 위한 전산유체역학 작물 모델 개발 = Development of Crop Modeling for Estimating Aerodynamic Resistance of Tomato Crop in CFD Simulation
저자
발행기관
학술지명
한국농공학회 학술대회초록집(Proceedings of the Korean Society of Agricultural Engineers Conference)
권호사항
발행연도
2017
작성언어
Korean
주제어
자료형태
학술저널
수록면
135-135(1쪽)
제공처
온실은 시설 내 작물을 재배하기 위하여 설계되었기 때문에 미기상을 예측할 때는 작물이 미치는 영향과 작물에 미치는 영향 모두를 고려하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 작물은 주변 공기의 유동을 방해하는 저항체로 작용하며 공기 유속, 유동량, 난류성 등에 영향을 미친다. 따라서 전산유체역학 기법을 이용하여 현실적인 공기유동, 미기상 변화 등의 물리적 현상을 모의하기 위해서는 다공성과 같은 작물의 특성을 필수적으로 고려하여야 한다. 작물은 복잡하고 불규칙한 형상을 가지고 있기 때문에 개별적인 작물군을 시뮬레이션 모델 상에 정확하게 구현하고 격자망을 설계하는 것은 매우 어려운 과정이 따른다. 이에 따라 대부분의 전산유체역학 연구는 작물을 육면체의 다공성 매체로 가정하며 다공성 매체의 특성 값을 정의함으로써 격자망 설계의 효율성을 높이는 동시에 연산시간을 단축시키는 연구가 다수 수행되었다 (이 등, 2006; Boulard and Wang, 2002 등). 그러나 이러한 방법들은 작물을 단순화하여 수치해석을 진행하였기 때문에 실제 온실 내부의 공기유동과 차이가 발생한다. 현재 전산유체역학과 같은 수치해석기법은 컴퓨터 기술이 급속도로 발전함에 따라 연산 시간이 대폭 감소하였으며 과거에는 해석할 수 없었던 복잡한 유체 유동을 해석할 수 있게 되었다. 컴퓨터 하드웨어의 진보와 함께 기존의 단순화 과정을 거친 토마토 모델의 실제 형상을 모델링 할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 토마토 작물의 공기저항 예측을 위하여 전산유체역학에 적용할 수 있는 토마토 작물 모델을 개발하고자 한다.
먼저 전산유체역학에 적용할 토마토 작물 모델의 검증을 위하여 풍동실험을 수행하였다. 풍동실험은 크기 1.0m×1.2m×4.8m (W×H×L)의 폐쇄 관 안에 토마토 작물을 3그루, 6그루, 9그루를 배치하고 풍속에 따른 압력 강하량을 측정하였다. 풍동실험 이후 각각의 토마토 작물의 잎면적지수를 측정하였으며 측정한 잎면적지수는 토마토 작물 모델을 개발할 때 사용되었다. 토마토 작물 모델 개발을 위하여 먼저 3차원 스캐너를 통하여 대표 토마토 작물의 전체 형상, 개별 잎과 줄기의 형상을 스캔하였다. 토마토 형상 스캔 결과는 Rhinoceros를 통하여 불필요한 부분은 제거되었으며 불명확한 부분은 잎 형상에 맞게 수정되었다. 수정한 결과는 전산유체역학 전처리 프로그램에 입력되었으며 풍동실험 조건과 일치하도록 모델이 설계되었다. 설계된 모델의 총 격자 개수는 약 100만개로 연산을 진행하는데 큰 부하가 발생하지 않았다. 최종적으로 연산결과와 풍동실험 결과와 비교 분석을 통하여 전산유체역학 모델의 검증을 수행하였다. 검증 결과 전산유체역학에 적용하고자하는 토마토 작물 모델은 온실의 미기상 예측을 위하여 활용이 가능하다고 판단되었다.
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