농업용 드론의 분무시스템 최적화를 위한 로터블레이드 유동 특성 분석

드론은 2010년 이후 급격한 기술 발전과 함께 농업 분야에 새로운 플랫폼이 되었다. 우리나라 농업환경에서는 드론의 분무시스템을 이용하여 농약 살포에 아주 유용하게 사용하고 있다. 하지만 대부분의 드론 분무시스템은 분무된 약액의 비산 또는 확산 특성을 고려하고 있지 않아 농업용 드론에 최적화된 분무시스템이 필요하다. 이에 본 연구에서는 농약 살포용 드론의 분무시스템을 최적화 하기 위해 블레이드의 하향풍을 가시화하고 특성을 분석하여 최적의 분무 노즐 위치를 제시하고자 하였다. 농업용 드론의 로터 블레이드의 하향풍 유동구조 측정을 위해 하향풍 유동 가시화 측정시스템을 이용하였다. 이 시스템은 프로펠러, 모터 및 전자속도제어기, H/W 프레임, 전원공급 장치, 노즐, 노즐 홀더, 튜브, 펌프, 펌프 속도제어기, 물탱크으로 이루어졌다. 로터 블레이드 회전수 변화에 따른 하향풍 구조를 측정하기 위해 회전수 3수준(1,000, 1,500, 2,000rpm)과 측정위치 5수준(100, 200, 300, 400, 500mm)을 축-방향, 반경-방향, 접선-방향에 대한 속도를 각각 측정하였다. 데이터 측정은 로터 블레이드 회전 중심과 모터 하단부를 원점으로 5mm 간격으로 측정하였다. 데이터 측정을 위한 Hot-wire probe 센서는 3차원 이송장치에 연결되어 미리 설정된 측정점을 이동하며 자동으로 측정하였다. 측정된 데이터는 순간 값을 평균 처리하여 사용하였으며, 평균에 사용된 데이터 수는 10,000개이며, 평균값 및 난류강도(turbulent intensity), 레이놀드 응력(Reynolds stress) 등을 측정하여 평균값으로 나타내었다. 그 결과, 그 결과 로터 블레이드에 의해 형성된 하향 풍속의 축방향 속도 분포는 축방향 거리가 증가함에 따라 감소하고 회전 횟수가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였습니다. 또한, X-Y plane 에서 축방향 속도분포는 블레이드 회전축 근처에서 가장 낮은 분포를 나타내었다. 반경방향 거리가 증가할수록 블레이드의 1/4 ~ 3/4 지점 근처에서 비교적 높은 속도분포를 보였다. 로터 블레이드 회전 중심 부분에서 낮은 축-방향 속도는 블레이드에 낮은 접선-속도(V=rω)와 구동모터의 영향인 것으로 판단되었다. 블레이드 반경 (R=370mm) 근처에서 주위 공기와의 강한 전단 유동으로 인하여 축-방향 속도가 감소함을 알 수 있다. 이 결과를 종합하면, 드론 로터 블레이드에 의해 형성되는 강한 하향풍을 이용하여 노즐에서 분사되는 분무를 가속하기 위해서는 블레이드 길이의 3/4 지점에 노즐을 설치하는 것이 가장 적합하다고 판단된다.