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コラム:熱流体

【熱流体】ウォーターハンマーの発生原因と解析する事の
重要性について

科学システムサポート部 シミュレーションサポート課 橋本 元信

[2017/12/20]

我々が普段生活する上で必要な上下水や給湯に使用するガス、ビルの室内環境の快適性を高める空調設備、自動車や航空機の燃料などは、必ずポンプや圧縮器で圧力を高め、パイプやダクトを介して利用されています。このような水やガス、空気や燃料などの流体は、利用されるまで効率よくそして何よりも安全に運ばれないといけません。そこで流体を安全に運ぶためによく問題となる現象の1つであるウォーターハンマーについて発生原因や対策、そして解析する事の重要性を紹介します。

最近は経験した事がある方は少ないかもしれませんが、水道の蛇口を急に閉めた時に「ドーン」とか「ゴン」といったような音が壁の中から聞こえてくる場合があります。この現象をウォーターハンマーといいます。このウォーターハンマーの名前の由来ですが、文字通りハンマーで叩いた時のような音が発生し、その音の特徴から名付けられたようです。また日本語では一般的に水撃といいます。

原因は『流れは急に止まらない』事に起因します。つまりスムーズに流れていた水(流体)の流れが蛇口(バルブ)の急閉鎖によりせき止められた事で、蛇口部分の圧力は流れの慣性により急激に上昇します。そして上昇した圧力は蛇口の上流側に伝わり、上流側の例えば曲がり部分(ベンド)の内壁にぶつかり、衝撃や異音を引き起こします。また衝撃により配管が動き壁面にあたり、音が発生する場合もあります。上記の「ドーン」とか「ゴン」といった音はこれらによる音である事が多いです。

また圧力が急激に上昇した蛇口部分だけでなく、上流側などにも同様の現象が発生する場合があります。これは『流れは急に止まらない』事により蛇口部分の圧力は急激に上昇しますが、反対に上流側の配管内の圧力は下がり、その結果として水が蒸気に変化(気化)し、配管内が部分的に蒸気で満たされる状況となります。その後圧力が回復し、蒸気が液体へと戻る時に液体を引き戻すことで液体同士がぶつかり衝撃音が発生する事もあります。

このようなウォーターハンマー現象は様々な弊害を及ぼす可能性があります。
例えば騒音問題です。発生した振動がご近所まで伝わる事もあります。また発生した振動により、配管や機器を傷めてしまったり、故障の原因になる場合があります。産業界に目を向けると、このウォーターハンマー現象はより危険で深刻な事態が発生する可能性があります。この現象により配管や機器が破損した事で、人や自然に害を与えるような危険な流体が外部に漏れたり、経済的な損失や人的な損失が発生してしまいます。

ウォーターハンマー現象を抑制する対策ですが、基本的に流れを急に止めた事が原因ですので、蛇口をゆっくりと閉める事で問題は解決します。また、ウォーターハンマーを抑制する水撃防止器を設置する方法もあります。産業界でも同様にバルブの開閉速度の変更検討、水撃防止器の設置検討や圧力リリーフ弁を設けバイパスに流す事で圧力上昇を抑制する検討方法などがあります。

このような抑制方法を検討するにあたり、設計者の方々のノウハウを活用する事で対策を実施していました。しかし昨今の複雑化した配管形状により想定にないウォーターハンマーが生じてしまうケースや、対策の妥当性を検証する必要があるが実際の機器や配管では危険でありまた高価であるため実施できないケースそしてまだ設計段階であるため、実際にテストできないケースなど問題が生じます。

上記の解決策として机上でのシミュレーションを利用します。数値流体力学、すなわちCFD(Computational Fluid Dynamics)は流体の運動に関係する方程式をコンピューターを用いて解くことで、流体の流れのふるまいをシミュレーションします。また流れのふるまいは3次元的に変化しますが、ウォーターハンマー現象のような比較的大きなモデルで検討しなければならない場合、3次元で解析するのは非常に時間がかかります。そこでこのような場合は一般的に流れ方向のみ考えた1次元のCFDで解析を行い効率的に様々なケースを検討します。

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CTCはウォーターハンマー現象を解析するのに適した1次元熱流動解析ソフトウェアであるFloMASTERを20年以上販売、サポートしております。このソフトウェアはウォーターハンマー現象だけでなく、流れの熱バランスなどもシミュレーション可能ですので、今後、本コラムで順次紹介する予定です。

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