서 론

네트는 강풍 상습 발생지역 및 태풍 내습 예상 지역에서 과수 가지 부러짐, 낙과 및 파엽을 방지하기 위하여 주요 과원의 방풍시설 등에 이용되고 있다. 임의의 네트에 바람이 통과할 경우 에너지 손실에 의해 압력 강하가 일어나며 네트의 폐쇄율(blockage rate)은 방풍시설의 풍속저감 효과와 구조물의 안전성에 직접적인 영향을 미친다. 네트가 촘촘할수록, 즉 폐쇄율이 클수록 방풍 저감 효과가 크게 나타나고 방풍 유효면적에 영향을 미치는 네트의 높이를 증가시킬 경우 네트에 작용하는 풍하중이 증가되어 구조물의 파이프 규격이 강화되어야 한다고 알려져 있다(Yum 등, 2007; Yum 등, 2011).

Yum 등(2011)은 아음속 풍동에 네트를 설치하고 풍속 5－30m·s^-1 범위에서의 풍속별 압력 강하 결과를 제시하여 방풍시설의 풍속저감 효과와 구조안전성을 분석하였는데 높이 5m, 네트 4mm를 갖는 방풍시설의 경우 20m·s^-1의 평행 유입풍속에서 5.1m·s^-1, 30m·s^-1에서 7.6m·s^-1, 40m·s^-1의 바람에서 10.1m·s^-1 정도가 저감되며 높이 3m, 네트 4mm를 갖는 방풍시설이 순간최대풍속 40m·s^-1에 견디기 위해서는 주기둥 파이프(SGH400)는 φ48.1mm×2.1t@2,000의 규격을 가져야 한다고 제시하였다.

방풍시설의 네트는 지면과 수직으로 놓이는 것이 일반적이나 돌풍이 불거나 방풍시설이 산비탈의 경사지에 설치된 경우에는 평행방향이 아닌 임의 풍향각도로 바람이 유입되어 기초의 인발저항력이 부족할 경우 기초가 뽑히는 피해가 발생한다. 따라서 방풍시설의 기초 설계 시 풍향각도를 고려하여야 하며 이때 해당 각도에서의 압력 강하 결과가 필요하다. Huang 등(2006)은 평지에 설치된 방풍네트의 설치 경사각을 6수준으로 변화시키면서 방풍영역 효과를 CFD를 이용해 계산하였는데 경사각을 45°로 했을 때 가장 큰 방풍효과 거리(방풍높이가 H일 때 16.5H)를 가지며 0°(12H)에서 가장 적다고 하였다.

이밖에 방풍시설에 관한 연구로 Yusaiyin과 Tanaka(2009)은 풍동을 이용해 방풍시설의 폭을 변화시키며 항력계수를 높이/폭의 비로 제시하였으며 시뮬레이션을 통해서는 방풍시설의 폭에 따른 풍속저감 효과를 계산하였다. 또한 Lien 등(2019)은 방풍네트 메쉬 4수준과 방풍네트의 경사각 4수준(0°－15°, 5° 간격) 범위에서 풍동시험을 수행하여 거리에 따른 풍속을 제시하였다.

네트의 폐쇄율에 따른 압력 강하를 정확히 산정하기 위해서는 실물의 네트를 이용하여 풍동시험을 수행하여야 하나 시험을 수행하기 위해서는 고가의 풍동시설을 운용하여야 하며 장기간의 시간과 많은 노력이 소요되는 어려움이 있다. 최적의 방풍효과를 낼 수 있는 네트의 최적 재단 및 제작 방법의 지침을 마련하기 위해서는 네트의 압력 강하를 정확히 예측할 수 있는 방법에 관한 연구가 절실한 실정이다.

본 연구는 영상 이미지 처리 기법을 이용하여 농업용 네트의 폐쇄율을 구하고 해당 네트의 압력 강하 특성을 산정하기 위하여 수행되었다. 산정된 네트의 폐쇄율은 타 연구에서 제시한 방법의 파라미터(폐쇄율)로 적용하여 압력 강하 특성을 비교하였으며, 또한 이를 풍동시험 결과와 비교하여 그 정확도를 평가하고자 하였다.

재료 및 방법

1. 네트 수집 및 크기 측정

네트의 폐쇄율(blockage rate, Br) 산정을 위해 영농현장에서 이용되는 농업시설용 네트 3종을 수집하여 활용하였다. 네트는 풍속(V, m·s^-1) 및 흐름각도(θ, °) 변화에 따른 압력 강하(ΔP, N·m^-2) 특성 풍동시험에 사용된 형상이며(Yum 등, 2011), 풍동시험 당시 사용된 네트는 장기간의 보유로 네트의 변형 및 경화가 있을 수 있어 풍동시험 당시와 동일한 형상으로 재생산된 네트를 사용하였다. 네트는 직사각형 모양과 크기, 그 안의 끈 매듭 유무 그리고 끈의 직경과 개수에 따라 구분할 수 있는데 기본적으로 직사각형 모양의 단위 셀이 가로와 세로로 반복되어 전체 망을 이루는 형상이다. 네트의 가로와 세로 끈의 직경은 버어니어 캘리퍼스를 이용하여 측정하였으며, 가로와 세로 끈의 평균값으로 평균직경을 제시하였다.

Table 1은 본 연구에서 사용된 네트의 형상 및 풍동시험 결과를 나타낸 것으로 PHR_i1은 단위 셀의 내부에 추가의 끈이 없는 단순 직사각형 모양이며 PHR_i2는 직사각형 모양에서 단위 셀의 내부에 ‘X’ 형태의 끈 매듭이 있고 위와 아래의 가로 끈에 연결되어 있는 형상이다. PHR_i3는 PHR_i1과 같이 단순 직사각형 모양으로 셀의 크기가 더 큰 형상이다. 네트 3종에 대한 풍동시험 결과(Yum 등, 2011)는 아음속 풍동 시험부에 네트를 직각으로 설치하고 유입풍속을 5∼30m·s^-1 범위에서 5m·s^-1 간격으로 증가시켜 가면서 측정한 결과로 압력 강하 산정의 비교로 사용하였다.

Table 1.

Nets with blue color and their facade images used in the study.

Net model	Image of the net	The pressure drop (ΔP) according to an incident angle (θ)
		θ = 0°	θ = 15°	θ = 30°	θ = 45°
PHR_i1		ΔP = 0.2259V2－ 0.1131V (R2 = 0.9999)	ΔP = 0.2252V2－ 0.2329V (R2 = 0.9998)	ΔP = 0.2128V2－ 0.1810V (R2 = 0.9998)	ΔP = 0.2071V2－ 0.1737V (R2 = 0.9996)
PHR_i2		ΔP = 0.1952V2－ 0.0435V (R2 = 0.9996)	ΔP = 0.1902V2－ 0.0139V (R2 = 0.9997)	ΔP = 0.1995V2－ 0.1090V (R2 = 0.9998)	ΔP = 0.2179V2 + 0.0749V (R2 = 0.9994)
PHR_i3		ΔP = 0.2353V2－ 0.2766V (R2 = 0.9999)	ΔP = 0.2295V2－ 0.1503V (R2 = 0.9996)	ΔP = 0.2256V2－ 0.1612V (R2 = 0.9998)	ΔP = 0.2172V2－ 0.0829V (R2 = 0.9996)

2. 폐쇄율 산정 방법

네트의 폐쇄율은 전용 지그에 네트를 설치한 후 영상을 촬영하고, 이미지 영상처리 기법을 활용하여 산정하였다. 지그의 전체 폭과 높이는 각각 220mm, 270mm이며 가로 190mm×세로 150mm의 사각 프레임에 네트를 고정하고 카메라로 네트의 영상을 촬영하였다(Fig. 1). 네트 촬영 시 무광의 흰색 판을 네트의 25cm 후방에 위치시켜 네트로 인한 그림자 영향과 배경에 반사되어 네트로 투영되는 빛의 영향이 최소화하도록 하였다. 네트 촬영 시 카메라 렌즈와 네트 사이 거리는 90cm로 고정하였으며 네트의 회전각도에 따른 심도 변화를 최소화하기 위해 조리개 값은 F18로 설정하였고 셔터스피드(shutter speed)는 1/6초, ISO 감도는 화질에 노이즈가 많지 않도록 800으로 두었으며 조명은 네트에 평행하게 설치하였다. 흐름각도 변화에 따른 폐쇄율 변화를 측정하기 위해 지그의 회전각도를 0°에서 45°까지 15° 범위로 변화시키면서 촬영하였다. 사진 촬영에 사용된 카메라는 Canon EOS-1Ds Mark III이며, 렌즈는 Canon Macrolens EF 180mm를 사용하였다. 사용된 지그 및 카메라는 수평한 평면의 정반 위에 설치하여 촬영 시 생길 수 있는 영상 이미지의 오차가 최소화되도록 하였다. 폐쇄율은 촬영된 사진에서 네트 부분만 영역을 분리한 후 Matlab R2020b에서 제공하는 rgb2gray 함수를 사용하여 트루컬러 이미지를 회색조 이미지(grayscale)로 변환한 후 이를 흑백(binary) 이미지로 변환하여 폐쇄율을 계산하였다.

Fig. 1.

Illustration of image acquisition for nets and the image processing to evaluate the blockage rate: an installation stand (A), an assembled photo device including a full frame DSLR camera (B) and a representative net attached on a surface plate (C).

3. 압력 강하 산정 방법

공기가 네트를 통과할 때 바람 에너지의 손실에 의해 압력 강하가 발생되며, 그 손실은 네트의 크기와 형상, 바람의 유입 각도, 그리고 레이놀즈 수와 폐쇄율 등과 관련되어 있다고 알려져 있다. 이러한 압력 강하를 예측할 수 있는 방법에 대한 연구로 주로 금속 재질 스크린의 압력 강하에 대한 연구가 수행되어 왔으며, 농업용 네트에 대한 연구는 상대적으로 매우 미미한 실정이다. 본 연구에서는 네트의 압력 강하 산정 방법의 비교를 위해 금속 재질의 스크린에 대한 압력 강하 방법인 Idel’chik이 제시한 방법(Idel’chik, 1966; Eckert 등, 1976; Barlow 등, 1999)과 Richards와 Robinson이 제시한 방법(Richards와 Robinson, 1999)을 사용하여 풍동시험 결과와 비교하였다.

본 연구에서는 네트에 의해 압력 강하되는 영향을 나타내는 손실계수(Km)를 계산하고 이를 바람의 동압(qo=12ρV2)에 곱하여 압력 강하(∆P=Kmqo)를 산정하는 방법을 이용하였다. Idel’chik이 제시한 방법은 NASA에서 금속 재질 스크린의 손실을 계산하는 방법으로 아음속 풍동에서의 스크린 손실을 추정하는 방법이다. 이 방법은 Table 2에서 보는 바와 같이 폐쇄율(σs)에 의한 영향과 단면이 원형인 네트 끈의 경우 레이놀즈 수에 의해 손실 정도가 달라지므로 네트 끈 직경을 기준으로 하는 레이놀즈 수(ReD)를 계산하여 손실에 의한 영향(KRe)을 계산하고, 네트의 제조 형상에 의한 손실 영향(Kmesh)을 고려하여 압력 강하를 산정한다. 본 연구에서는 레이놀즈 수 계산 시 네트의 평균직경(D=(DiNi+DjNj)/2, 여기서 Di,Ni: 가로 끈의 직경과 개수, Dj,Nj: 세로 끈의 직경과 개수)을 사용하였으며(Fig. 2), Kmesh = 1을 사용하였다.

Fig. 2.

Schematic of the longitudinal and latitudinal threads of a typical net.

Richards와 Robinson(1999)이 제시한 방법은 폐쇄율(σs)에 의한 영향과 레이놀즈 수에 의한 영향을 네트의 단면 항력계수(Cd)로 나타내는 방법으로 네트 끈의 평균직경 기준 레이놀즈 수가 2,000 이상일 때의 영향을 추가로 고려하여 계산한다(Table 2).

결과 및 고찰

1. 네트의 폐쇄율

본 연구에서 사용된 네트의 트루칼러 이미지와 폐쇄율 산정을 위해 변환된 회색조와 흑백 이미지를 Fig. 3에 나타내었으며, 폐쇄율 산정 결과는 Table 3에 나타내었다. 방풍네트의 폐쇄율 산정 결과, 네트가 촘촘할수록 폐쇄율은 증가하는 것으로 나타났다. 실의 두께와 개수가 비슷하나 네트 단위 셀의 크기(가로×세로)가 다른 PHR_i1과 PHR_i2의 경우, 셀 크기가 다소 적은 PHR_i1의 폐쇄율(Br = 0.2940)이 PHR_i2의 폐쇄율(0.2214)보다 컸다. 또한 셀의 크기는 비슷하나 끈의 두께와 개수가 다른 PHR_i2과 PHR_i3의 경우, 끈의 두께와 개수가 많은 PHR_i3의 폐쇄율(0.2769)이 PHR_i2의 폐쇄율(0.2214)보다 컸다. 네트의 폐쇄율은 전체면적 중 끈이 차지하는 면적 비율이므로 폐쇄율이 증가할수록 끈이 차지하는 면적이 커지고 반면 공기가 흘러갈 수 있는 빈 공간이 적어져 네트를 통한 유동저항이 증가할 것임을 쉽게 유추할 수 있다. 폐쇄율과 유동저항은 밀접한 관계에 있으므로 PHR_i1(Br=0.2940)>PHR_i3(0.2769)>PHR_i2 (0.2214) 순으로 유동저항이 클 것으로 판단되었으며 실제 풍동시험으로부터 구한 압력 강하 결과를 통해서도 이를 확인할 수 있었다.

Fig. 3.

Illustration of the image processing of the nets for a slanting angle of 0° corresponding to their front view.

Table 3.

The images and corresponding blockage rates of nets.

Net model	Image (Facade, θ = 0°)	Magnitude of nets, the thickness and number of the threads	Angle (θ, °)	Images of nets according to angles	Blockage rate (Br)
PHR_i1			0		0.2940
			15		0.2952
			30		0.3038
			45		0.3197
PHR_i2			0		0.2214
			15		0.2242
			30		0.2376
			45		0.2613
PHR_i3			0		0.2769
			15		0.2714
			30		0.2773
			45		0.2865

Thr. : Thread, Mag. : Magnitude, Thk. : Thickness, : Dia. : Diameter, Num. : Number, D for ReD : Mean diameter for calculating Reynolds number.

네트의 단위 셀 크기를 수력 직경(Dh=4×Rh = 4×단면적/둘레길이) 개념으로 계산해 볼 경우 유동저항의 크기를 간접적으로 비교할 수 있을 것으로 기대되었으나 수력 직경은 PHR_i3(Dh = 8.71mm) > PHR_i2(8.09) > PHR_i1(5.24)로 계산돼 단위 셀의 크기가 동일하더라도 내부 끈의 유무 그리고 끈의 두께 및 개수가 다른 경우 수력 직경만으로는 유동저항의 크기를 단순 비교할 수 없음을 확인할 수 있었다.

주어진 네트에 대하여 회전각도(θ, 풍향각도에 해당)가 클수록 폐쇄율은 다소나마 증가하는 것으로 나타났다. PHR_i1의 경우 0.2940(θ = 0°), 0.2952(15°), 0.3038(30°), 0.3197(45°)로 미미하게나마 회전각도에 따라 증가하였으며 PHR_i2와 PHR_i3에서도 유사한 경향을 확인할 수 있었다. 네트 촬영 장치를 통하여 회전각도에 따른 네트의 이미지를 획득하였고, 영상 이미지 처리 기법을 통하여 폐쇄율을 정확히 산정할 수 있음을 확인할 수 있었으며 각각의 영상 이미지는 향후 네트의 특성 이해에 유용할 것으로 판단되었다. 네트를 방풍시설 등의 골조 파이프에 연결하여 편평하게 즉, 지면에 수직되게 설치한 경우 바람의 회전각도에 따라 폐쇄율이 달라지고, 유동저항에 영향을 주어 압력 강하가 달라지므로 구조물 설계 시 풍향각도를 설계요인에 반영하여야 할 것으로 판단되었으며 회전각도 θ = 45°에서 폐쇄율이 가장 크므로 이를 기준으로 설계할 경우 구조물의 안전성을 보다 강화할 수 있을 것으로 판단되었다.

2. 압력 강하 비교

산정된 폐쇄율을 Idel’chik(1966)과 Richards와 Robinson (1999)의 관계식에 적용하여 예측한 압력 강하 결과를 풍동시험 결과와 Fig. 4, 5, 6에 비교하여 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 폐쇄율이 0.2940인 첫 번째 네트(PHR_i1)의 경우 Richards와 Robinson의 예측 결과가 가장 크고 전체적으로 두 방법이 실제 풍동시험에서의 압력 강하 결과보다 다소 크게 예측되는 것으로 나타났다. 회전각도에 따라 그러한 경향은 유지되었으나 θ = 45°에서 그 차이는 다소 증가하였다. 폐쇄율이 0.2214인 두 번째 네트(PHR_i2)의 경우 Idel’chik에 의한 관계식이 풍동시험 결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났고 Richards와 Robinson의 관계식은 다른 결과보다 다소 크게 예측되는 것으로 나타났다. 회전각도에 따라서는 그 경향에 큰 차이가 없었다. 폐쇄율이 0.2769인 세 번째 네트(PHR_i3)의 경우 Idel’chik과 Richards와 Robinson에 의한 방법이 서로 잘 일치하는 것으로 나타났으나 모두 풍동시험 결과에 비해 다소 큰 압력 강하를 예측하는 것으로 나타났다. 네트를 통한 압력 강하는 네트가 설치된 구조물의 풍하중으로 적용되므로 Idel’chik과 Richards와 Robinson의 관계식에 의한 압력 강하 예측 결과를 적용할 경우 더 안전한 구조물 설계가 가능할 것으로 판단되었다.

Fig. 4.

Comparison of the pressure drop for the net PHR_i1 among the relations by Idel'chik (▲) and Richards and Robinson (■), and the wind tunnel test data (◆). ΔP: pressure drop, V: wind speed.

Fig. 5.

Comparison of the pressure drop for the net PHR_i2 among the relations by Idel'chik (▲) and Richards and Robinson (■), and the wind tunnel test data (◆). ΔP: pressure drop, V: wind speed.

Fig. 6.

Comparison of the pressure drop for the net PHR_i3 among the relations by Idel'chik (▲) and Richards and Robinson (■), and the wind tunnel test data (◆). ΔP: pressure drop, V: wind speed.

영농현장에서 이용되는 네트 3종에 대하여 영상 이미지 처리 기법을 활용하여 폐쇄율을 회전각도에 따라 구하고, Idel’chik과 Richards와 Robinson의 관계식을 이용하여 회전각도별 압력 강하를 산정할 수 있었다. Idel’chik과 Richards와 Robinson의 관계식으로부터 산정한 압력 강하와 풍동시험에 의한 압력 강하(Yum 등, 2011)를 비교한 결과, 전반적으로 Idel’chik과 Richards와 Robinson의 관계식이 풍동시험 결과보다 다소 크게 예측되었는데 Idel’chik과 Richards와 Robinson이 이용한 네트는 금속 재질 와이어(metal wire)이며 Idel’chik는 직경기준 레이놀즈 수 50－1,200 범위에서 시험이 수행된 결과를 제시하였다. 금속재질의 와이어는 바람에 의한 변형이 적고 끈 매듭(꼬임)도 없어 공기 교란이 없는 반면 농업용 네트는 PE 재질로 바람에 의한 처짐이 금속 재질보다 크고 끈 매듭에 의한 공기 교란과 확산이 있을 수 있는 데서 그 차이를 설명하여야 할 것으로 판단되었다.

네트 경사각의 경우 Huang 등(2006)은 0°－75°(15° 간격 6수준) 범위에서 검토한 결과 45°에서 방풍효과 거리가 가장 크게 나타났다고 한 반면, Lien 등(2019)은 0°－15°(5° 간격 4수준) 범위에서 큰 차이가 없었다고 하였으나 Huang 등(2006)의 방풍효과 거리는 방풍이 되는 영역(범주)에 대한 연구 결과로 판단돼 두 연구 결과가 서로 상충되는 것은 아닌 것으로 판단된다. 본 연구를 통해서는 경사각 0°－45°(15° 간격 4수준) 범위에서 폐쇄율에 있어서는 다소 차이가 있었던 반면 압력 강하 결과에 있어서는 약간의 차이를 보이는 수준임을 확인하였다. 네트의 회전각도는 풍향이 지면에서 상향 방면으로 통과하는 경우와 측면 쪽에서 반대쪽 측면 방향으로 유입되는 경우가 있을 수 있고, 또한 압력 강하 자체 결과와 압력 강하의 결과로서 나타나는 실제 풍속저감 효과와는 차이가 있을 수 있어 두 연구 결과와 본 연구 결과를 직접적으로 비교하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다.

네트가 포함된 구조물 설계 시 풍하중[=압력 강하(N·m^-2)×바람이 부는 방향으로의 투영면적(m²)]으로 이용되는 압력 강하는 기본적으로 모든 풍향각도에 따라 제시되어 필요 시 해당 각도에서의 압력 강하 값을 이용하여야 하나 풍동시험을 할 경우 풍향각도를 고려한 시험장치 구성이 어렵고 고려하더라도 그만큼 시험 횟수가 증가해 시간과 노력이 많이 소요되는 문제가 있다. 영상 이미지 처리 기법을 이용하여 폐쇄율을 구하고, 그로부터 압력 강하를 산정할 경우 풍동시험과 비교하여 측정 오차가 없을 뿐만 아니라 비용과 시간 측면에서도 효율적일 것으로 판단되었다. 향후 네트 제조 기법(꼬임 정도, 내부 끈의 유무 등)과 바람으로 인한 네트의 변형을 고려한 압력 강하 예측 방법에 관한 연구가 추가로 필요할 것으로 판단되었다.