ウォーターハンマー計算機 | HydraulicCalc

ウォーターハンマーの波速と圧力上昇を計算します。

ウォーターハンマーは、流体が急停止または急激な方向転換を強いられたとき（例：バルブの急速閉鎖）に発生する圧力サージです。このカルキュレーターはJoukowskyの方程式を用いて流体密度・波速・流速変化から瞬間的な圧力上昇を計算し、配管定格余裕を推定してサージを設計圧力以内に抑えるための閉鎖時間目標を提示します。

計算の仕組み

Joukowsky方程式：ΔP = ρ × a × ΔVで、ρは流体密度、aは圧力波速（波速）、ΔVは平均流速の変化量。波速 a = √(K / ρ) / √(1 +（K/E）×（D/t））で、Kは流体の体積弾性係数、Eは管壁のヤング率、Dは直径、tは肉厚です。柔らかい管（低E）は小さいaでサージが低くなります。剛性鋼管中の水ではa ≈ 1,300 m/s、軟質PE管ではa ≈ 250〜400 m/s。サージを圧力クラス内に抑えるには、バルブ閉鎖時間T > 2L/a（1回の波反射周期）を目標とし、減速を管全長にわたって分散させます。

活用シーン

ポンプトリップのサージ解析

1.2 kmパイプラインで500 L/minポンプがトリップした後のサージを推定する水道エンジニアがΔV = 2.1 m/s、ΔP = 26 barを計算し、配管クラスを超えることから停止波を緩衝するエアベッセルサージタンクを追加します。

電磁弁閉鎖時間

200 mm冷却水バルブを仕様する設計者が、元の0.5秒ソレノイドの代わりに5秒閉鎖の電動アクチュエーターを選定することで、サージを18 barから3 barに低減し配管クラスのアップグレードを回避します。

配管騒音の解決

洗濯機の停止時にパイプが鳴る問題を調査する建築設備技術者が、カルキュレーターで算出した必要ガス容積と圧力定格に合ったインライン水撃防止器を設置します。

よくある質問

サージを生じさせない最速のバルブ閉鎖時間はどのくらいですか？

T_c = 2L/a（管長×2÷波速）より速い閉鎖はJoukowskyの完全サージを引き起こします。遅い閉鎖は減速を分散させ、それに比例してピーク圧力を低減します。

長い配管でウォーターハンマーが悪化するのはなぜですか？

長い管はより多くの運動エネルギーを蓄えます。Joukowskyの圧力上昇自体は管長に依存しませんが、高圧パルスの持続時間（= 2L/a）は依存するため、疲労損傷と可聴騒音は管長とともに増大します。

空気の溜まりがウォーターハンマーを引き起こしますか？

はい。閉じ込められた空気は圧縮・反発して、Joukowsky予測をはるかに超えたサージを生じさせる柱分離現象を起こします。常に高所のエアを抜き、長い下り勾配区間には真空ブレーカーを設置してください。