수격현상(Water Hammer)

수격현상의 정의

수격현상은 관로 내 유속이 급변할 때 생기는 압력파의 왕복 현상이다.

물이 빠르게 흐르던 관을 밸브로 갑자기 막으면 운동 에너지가 한꺼번에 압력 에너지로 바뀐다.

그 압력이 파동처럼 관을 따라 퍼졌다가 되돌아오기를 반복하며 관 내부를 울린다.

압력 상승의 원리

관로의 압력 상승량은 Joukowsky 식으로 구한다.

압력 상승량 ΔH는 압력파 속도 a와 유속 변화 ΔV에 비례하고, g로 나눈 값이다.

유속이 급감하면 압력이 오르고, 그 과압이 관과 밸브를 파손시킬 수 있다.

밸브를 빨리 닫거나 유속이 큰 관로일수록 수격이 심해진다.

계산 예제

이제 앞의 식으로 실제 값을 계산해 보자.

물의 밀도 1000kg/m³, 압력파 속도 1000m/s, 유속 변화 2.0m/s를 대입한다.

계산하면 2 × 10⁶ Pa, 즉 2MPa이고 수주로는 약 200m 수두에 해당한다.

이 값은 관과 밸브의 내압 등급을 크게 넘는다. 그래서 완폐와 조압 설비가 필요하다.

두 가지 유형의 비교

수격은 원인에 따라 단순관로형과 펌프계형으로 나눠 본다.

단순관로는 밸브 직전 고압이 핵심이고, 펌프계는 정전 직후 역류와 부압이 함께 나타난다.

고압과 부압은 같은 현상의 두 측면이므로 설계 때 함께 검토한다.

그래서 펌프계 대책은 부압 방지와 고압 방지를 함께 고려해야 한다.

대책과 한계

수격 대책은 과압을 막는 설비와 부압을 막는 설비로 나눠 짝지어 쓴다.

과압에는 완폐형 체크밸브와 안전밸브를 쓰며, 안전밸브는 과압을 신속히 방출한다.

부압에는 플라이휠, 서지탱크, 공기실, 공기밸브를 쓴다. 공기밸브는 공기를 유입시켜 수주분리를 막는다.

운전 방식도 중요하다. 완만한 기동·정지와 밸브 폐쇄시간 조정으로 충격을 줄인다.

단일 설비만으로는 모든 조건을 해결하기 어려워 여러 대책을 조합한다.

핵심 정리

마지막으로 핵심을 정리한다. 수격은 유속 급변이 만든 압력파가 관로를 왕복하는 현상이다.

시험에서는 원인과 대책을 과압·부압으로 나눠 쓰는지가 채점 포인트다.

수격과 공동현상을 섞어 쓰지 않도록 주의한다.

직접 풀어 보자.

정답은 고압이다. 토출측에서 고압이 먼저 생기고 이후 부압으로 진행한다.