油圧ショック

水撃（俗称：ウォーターハンマー、流体ハンマー）とは、流体が運動している際に、急激に停止または方向転換を強いられたときに発生する圧力の急上昇または波のことです。これは運動量の変化によって起こります。通常は液体で発生しますが、気体にも影響を及ぼします。この現象は、配管システムの末端にあるバルブが急に閉じ、圧力波がパイプ内を伝播する際によく発生します。

この圧力波は、騒音や振動から配管の破裂や崩壊に至るまで、重大な問題を引き起こす可能性があります。アキュムレータ、膨張タンク、サージタンク、ブローオフバルブなどの設備を用いることで、ウォーターハンマーパルスの影響を軽減できます。大きな流量時にバルブが急激に閉じないようにすることで、その影響を回避できますが、ウォーターハンマーが発生する状況は数多く存在します。

概算はジュコフスキー（ジュコフスキー）方程式^{[ 1 ]}を用いて行うことができ、より正確な計算は特性曲線法を用いて行うことができる。

紀元前1世紀、マルクス・ウィトルウィウス・ポッリオは、ローマの公共水道の鉛管や石管におけるウォーターハンマー現象について記述した。^{[ 2 ] [ 3 ]}

1772年、イギリス人のジョン・ホワイトハーストは、イングランドのチェシャーにある自宅用に水力ラムを製作した。 ^{[ 4 ]} 1796年、フランスの発明家ジョゼフ・ミシェル・モンゴルフィエ（1740-1810）は、ヴォワロンにある自身の製紙工場用に水力ラムを製作した。^{[ 5 ]} フランス語とイタリア語で「ウォーターハンマー」を表す言葉は、水力ラムに由来 する。coup de bélier（フランス語）とcolpo d'ariete（イタリア語）はどちらも「ラムの打撃」を意味する。^{[ 6 ]} 19世紀に都市の水道設備が設置されるにつれ、ウォーターハンマーは土木技師にとって懸念事項となった。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} ウォーターハンマーは、循環器系を研究していた生理学者にも関心を持たれた。^{[ 10 ]}

トーマス・ヤングの研究で先例が示されていたものの、^{[ 11 ] [ 10 ]}水撃の理論は一般的に、1883 年にドイツの生理学者ヨハネス・フォン・クリース(1853–1928) が血管の脈動を研究していたときに始まったと考えられている。^{[ 12 ] [ 13 ]} しかし、彼の発見は土木技師には注目されなかった。^{[ 14 ] [ 15 ]} クリースの発見はその後、1898 年にロシアの流体力学者ニコライ・エゴロヴィチ・ジュコフスキー(1847–1921) ^{[ 1 ] [ 16 ]} 、 1898 年にアメリカの土木技師ジョセフ・パーマー・フリゼル(1832–1910) ^{[ 17 ] [ 18 ]}、1902 年にイタリアの技師ロレンツォ・アリエヴィ(1856–1941) によって独立して導き出された。^{[ 19 ]}

パイプ内を流れる水には運動量があります。流れている水の流れを、例えば下流側のバルブを閉じるなどして急に止めると、圧力が急激に上昇し、衝撃波が発生することがあります。家庭用配管では、この衝撃波はハンマーで叩くような大きな音として感じられます。水撃作用は、圧力が十分に高くなると配管の破損を引き起こす可能性があります。そのため、流れる水によって生じる可能性のある損傷力を吸収するために、エアトラップやスタンドパイプ（上部が開いている管）がダンパーとして給水システムに追加されることがあります。

例えば、水力発電所のタービンへ向かうトンネルやパイプラインを流れる水は、経路上のバルブが急に閉じられると急激に減速する可能性がある。直径7.7m （25フィート）のトンネルに水が満ち​​ていて、 3.75m /s（8.4mph ）の速度で流れている場合、^{[ 20 ]}約8,000メガジュール（2,200kWh）の運動エネルギーに相当する。このエネルギーは、上部が開いている垂直のサージシャフトで散逸させることができる。水はこのシャフトに流れ込む。^{[ 21 ]}水がシャフトを上昇するにつれて、その運動エネルギーは位置エネルギーに変換され、急激な高圧を回避できる。ミシガン州のサクソンフォールズ水力発電所など、一部の水力発電所では、給水塔のように見えるものが実際にはサージドラムである。^{[ 22 ]}       

住宅の配管システムでは、食洗機、洗濯機、またはトイレが突然給水を停止した際に、ウォーターハンマー現象が発生することがあります。その結果、大きな衝撃音、繰り返し発生する衝撃音（衝撃波が配管システム内を往復するため）、または振動として聞こえることがあります。

ウォーターハンマーのその他の潜在的な原因：

• ポンプが停止する
• ポンプ停止などの動力喪失により配管内の流れが逆転した際に、素早く閉じる（いわゆる「逆止弁の衝撃音」を発する）逆止弁。圧力サージを低減するために、「非衝撃型」逆止弁を使用することができる。
• 部分的に開いたバルブや、空気が容易に通過できるオリフィスなどの制限がある空のパイプに水を満たす場合、パイプが急速に満たされるにつれて圧力が上昇し、水は制限に遭遇します。

関連現象

蒸気ハンマーは、配管の水平部分で蒸気の一部が水に凝縮すると蒸気システムで発生する可能性があります。パイプに沿って液体の水を押し出す蒸気は「スラグ」を形成し、それがバルブや配管継手に衝突して大きなハンマー音と高圧を発生させます。熱衝撃による凝縮によって生じる真空も蒸気ハンマーの原因となります。蒸気ハンマーまたは蒸気凝縮誘発水撃 (CIWH) は、原子力発電所への悪影響のため、実験的にも理論的にも徹底的に調査されています。^{[ 23 ]} RELAPと同様の特別な 6 方程式多相熱水力モデル^{[ 24 ]}を使用すると、2ミリ秒の持続時間 130 bar の過圧ピークを理論的に説明できます。

傾斜配管を使用したり、スチームトラップを設置したりすることで、スチームハンマーを最小限に抑えることができます。

ターボチャージャー付き内燃機関では、ターボチャージャーがエンジンに空気を送り込んでいる間にスロットルが閉じられると、「ガスハンマー」が発生することがあります。衝撃波は発生しませんが、圧力が急速に上昇して損傷レベルに達したり、コンプレッササージを引き起こしたりする可能性があります。スロットルの手前に設置された圧力リリーフバルブは、空気を別の場所に迂回させることで、スロットルボディにサージが発生するのを防ぎ、ターボチャージャーを圧力による損傷から保護します。このバルブは、空気をターボチャージャーの吸気口に再循環させる（再循環バルブ）か、空気を大気中に吹き出してアフターマーケットのターボチャージャー特有のシューという音を発生させる（ブローオフバルブ）かのいずれかです。

ウォーターハンマーは事故や死亡事故を引き起こすことがありますが、通常はパイプや付属部品の破損にとどまります。しかし、パイプラインの破裂リスクは常に技術者が評価する必要があります。危険な液体やガスを輸送するパイプラインは、設計、建設、運用において特に注意が必要です。特に水力発電所は、ウォーターハンマーによって水道管が壊滅的な損傷を受ける可能性があるため、慎重な設計と維持管理が不可欠です。

以下の特性は、ウォーターハンマーを軽減または解消する可能性があります。

• 調整器を取り付けて、建物への給水圧力を下げてください。
• 流速を低くする。ウォーターハンマーを低く抑えるために、一部の用途のパイプサイズチャートでは、流速を1.5 m/s (4.9 ft/s)以下とすることを推奨しています。  
• ゆっくり閉まるタイプのバルブを取り付けてください。トイレの給水バルブには、静かに閉まる静音タイプの給水バルブがあります。
• 非衝撃式逆止弁は、流体の流れに頼らずに閉じるため、水の流れがかなりの速度に達する前に閉じます。
• 高いパイプライン耐圧性能（効果を低下させるものではなく、損傷を防ぐためのもの）。
• 適切なパイプライン管理（起動および停止手順）。
• （多くの飲料水供給システムで使用されている）給水塔やサージタンクは、安定した流量を維持し、大きな圧力変動を吸収するのに役立ちます。
• 膨張タンクや一部の油圧アキュムレータなどの空気容器は、給水塔とほぼ同じように機能しますが、加圧されています。通常、容器内の液面上に空気層があり、これはブラダーによって調整または分離されます。大型パイプラインでは、空気容器のサイズは数百立方メートルに達することもあります。形状、サイズ、構成は多種多様です。このような容器は、アキュムレータまたは膨張タンクと呼ばれることがよくあります。
• 衝撃吸収装置と原理的に類似した「ウォーターハンマー防止装置」と呼ばれる油圧式装置を水道管と機械の間に設置することで、衝撃を吸収し、叩く音を止めることができる。
• エアバルブは、配管内の高圧部における低圧状態を緩和するために用いられることが多い。効果的ではあるものの、場合によっては多数のエアバルブを設置する必要がある。また、これらのバルブはシステム内に空気を混入させるため、望ましくない場合も多い。代替手段として、ブローオフバルブを用いることができる。
• 分岐管の長さを短くする。
• 直管の長さを短くするには、エルボや伸縮継手を追加します。ウォーターハンマーは流体中の音速に関係しており、エルボは圧力波の影響を軽減します。
• 太い配管をループ状に配置して、そこからより短く細い分岐配管に配管を供給する。ループ状の配管では、ループの両側から低速の流れを分岐配管に供給することができる。
• ポンプのフライホイール。
• ポンプ場バイパス。

水撃現象の問題を最初に解明した人物の一人が、イタリア人技師のロレンツォ・アリエヴィである。

水撃現象は、流体の圧縮性とパイプ壁の弾性を無視する剛体柱理論と、弾性を考慮した完全な解析という、2つの異なるアプローチで解析できます。バルブが閉じるまでの時間が、圧力波がパイプの長さを伝わる伝播時間に比べて長い場合は、剛体柱理論が適切です。そうでない場合は、弾性を考慮する必要があるかもしれません。^{[ 25 ]} 以下に、ピーク圧力の2つの近似を示します。1つは弾性を考慮していますが、バルブが瞬時に閉じると仮定したもので、もう1つは弾性を無視していますが、バルブが閉じるまでの有限時間を考慮したものです。

体積流量Qのバルブが閉じられると、バルブの上流側に過剰圧力ΔPが発生し、その値はジュコフスキー方程式で与えられる。

${\displaystyle \Delta P=ZQ.}$

この表現では：^{[ 30 ]}

Δ Pは過圧 (Pa) です。

Qは体積流量（m³ ^/ s）です。

Zは水力抵抗であり、単位はkg/m⁴/sで^ある。

パイプラインの水力インピーダンスZは、ウォーターハンマーパルスの大きさを決定します。これは次のように定義されます。

${\displaystyle Z={\frac {\sqrt {\rho B}}{A}},}$

どこ

ρは液体の密度で、単位はkg/m³^です。

パイプの断面積、^m²；

Bパイプ内の液体の等価圧縮率（単位：Pa）。

後者は一連の水力学的概念から導かれる。

• 液体の圧縮性は、熱力学表から一般的に得られる液体の状態方程式から得られる断熱圧縮率B _{lによって定義される。}
• パイプ壁の弾性は、固体B _sの等価体積圧縮率を定義します。厚さtが直径Dに比べて小さい円形断面のパイプの場合、等価圧縮率は次の式で与えられます。${\displaystyle B={\frac {t}{D}}E}$ここで、Eはパイプの材料のヤング率（Pa単位）である。
• 液体中に溶解したガスの圧縮率Bg_{は、次のように定義される。}${\displaystyle B_{\text{g}}={\frac {\gamma }{\alpha }}P,}$

  γは気体の比熱比であり、

  αは換気率（未溶解ガスの体積分率）であり、

  Pは圧力（Pa単位）です。

したがって、等価弾性は元の弾性の合計となる。

${\displaystyle {\frac {1}{B}}={\frac {1}{B_{\text{l}}}}+{\frac {1}{B_{\text{s}}}}+{\frac {1}{B_{\text{g}}}}.}$

その結果、以下の方法でウォーターハンマーを低減できることがわかります。

• 一定流量でパイプの直径を大きくすると、流速が低下し、その結果、液柱の減速が抑制される。
• 固体材料を内部流体体積に対してできるだけ密着させて使用する（固体のヤング率が流体体積弾性率に比べて低い）。
• 油圧アキュムレータなど、油圧システム全体の柔軟性を高める装置を導入する。
• 可能な限り、液体中の未溶解ガスの割合を増やす。

水撃現象は、以下の偏微分方程式を解くことによってシミュレーションできる。

${\displaystyle {\frac {\partial V}{\partial x}}+{\frac {1}{B}}{\frac {dP}{dt}}=0,}$

${\displaystyle {\frac {dV}{dt}}+{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial P}{\partial x}}+{\frac {f}{2D}}V|V|=0,}$

ここで、Vはパイプ内の流体速度であり、${\displaystyle \rho }$は流体密度、Bは等価体積弾性率、fはダルシー・ワイスバッハ摩擦係数である。^{[ 31 ]}

水撃現象中に発生する可能性のある現象として、液柱分離があります。配管内の圧力が液体の蒸気圧を下回ると、キャビテーションが発生します（液体の一部が蒸発して配管内に気泡を形成し、圧力を蒸気圧に近い状態に保ちます）。これは、閉鎖端、高所、屈曲部（配管の勾配の変化）などの特定の場所で発生する可能性が最も高くなります。過冷却された液体が、以前蒸気が占めていた空間に流れ込むと、蒸気と液体の接触面積が増加します。これにより、蒸気が液体に凝縮し、蒸気空間の圧力が低下します。その後、蒸気空間の両側の液体が圧力差によってこの空間に加速されます。2つの液柱（閉鎖端の場合は1つの液柱）の衝突により、圧力が大きく、ほぼ瞬時に上昇します。この圧力上昇は、油圧機械、個々の配管、および支持構造物を損傷する可能性があります。1回の水撃現象で、キャビティの形成と崩壊が何度も繰り返される可能性があります。^{[ 32 ]}

ほとんどのウォーターハンマー解析ソフトウェアパッケージは、関連する微分方程式を解くために特性曲線法^{[ 27 ]}を使用しています。この方法は、パイプライン内の空気やガスの混入によって波の速度が時間とともに変化しない場合に有効です。波動法（WM）もさまざまなソフトウェアパッケージで使用されています。WMを使用すると、オペレーターは大規模なネットワークを効率的に解析できます。多くの商用および非商用パッケージが利用可能です。

ソフトウェアパッケージの複雑さは、モデル化するプロセスによって異なります。より高度なパッケージには、次のような機能が含まれている場合があります。

• 多相流対応機能。
• キャビテーションの成長と崩壊を予測するアルゴリズム。
• 不安定摩擦：乱流が発生し、流速分布が変化すると、圧力波は減衰する。
• 圧力が高くなると体積弾性率が変化する（水は圧縮されにくくなる）。
• 流体構造相互作用：パイプラインは変化する圧力に反応し、それ自体が圧力波を発生させる。

• 水撃作用の原理を利用すれば、油圧ラムと呼ばれるシンプルな水ポンプを作ることができる。
• 水撃現象を利用して漏水箇所を検出できる場合がある。
• パイプライン内部の密閉された空気溜まりは検出可能である。
• 崩壊する微小空洞によって生成される液体ジェットからのウォーターハンマーは、非侵襲的な経皮薬物送達への応用可能性について研究されている。^{[ 33 ]}

• ブラッドハンマー
• キャビテーション
• 流体力学
• 水鳴楽器 – 水やその他の液体を用いる楽器
• インパクトフォース
• 反動（流体挙動）
• 過渡現象（土木工学）
• ワトソンの水撃脈

• 水撃現象／蒸気撃現象とは何ですか？
• 「ウォーターハンマー」 —YouTube（アニメーション）
• 「ウォーターハンマー理論解説」 —YouTube（例付き）