수격작용

수격작용이란

수격작용은 관내 유체의 흐름이 갑자기 멈추거나 방향을 바꿀 때 생기는 압력파다.

이 압력파는 음속으로 관로와 밸브 사이를 왕복하며 충격과 진동을 일으킨다.

물의 운동에너지가 압력에너지로 바뀌는 것이 이 현상의 핵심 원리다.

발생 원리

물이 빠르게 흐르는 관에서 밸브를 갑자기 닫으면 물이 달려오다 막히는 것과 같다.

그 순간 밸브 직전에 높은 압력이 생기고 압력파가 음속 a로 전파된다.

압력파는 상류 저수조에서 반사되어 밸브 쪽으로 돌아오며 왕복을 반복한다.

계산 예제

충격압은 ρ·a·ΔV로 정해진다. 밀도와 파속, 유속 변화의 곱이다.

ρ는 1,000kg/m³, 파속 a는 1,000m/s, 유속 변화 ΔV는 2.0m/s로 둔다.

대입하면 ΔP는 2.0×10⁶Pa, 즉 2.0MPa가 된다.

단위는 kg/m³ × m/s × m/s = Pa로 맞으므로 계산이 타당하다.

고압형과 부압형

수격작용의 대책은 고압과 부압을 나누어 생각해야 한다.

밸브 급폐쇄는 고압형을, 펌프 급정지는 부압형을 먼저 만든다.

밸브 닫힘 시간 Tc가 관로 주기 2L/a보다 짧으면 급폐가 된다.

급폐는 최대 압력이 Joukowsky 식으로 결정되는 조건이다.

정답과 해석 절차

해석은 관로 종단도를 그리고 정상 상태의 압력선을 표시하는 것에서 시작한다.

다음으로 파속과 관로 주기 2L/a를 구한 뒤 밸브 폐쇄 시간 Tc와 비교한다.

최대 수두가 허용 압력을 넘으면 공기실이나 조압수조 같은 완화 설비를 고른다.

복잡한 관로는 특성곡선법 기반 과도해석 프로그램으로 검증한다.

정리와 시험 포인트

수격작용은 고압과 부압이 번갈아 나타나므로 두 방향을 모두 막아야 한다.

고압은 역지밸브와 안전밸브, 부압은 공기실과 조압수조로 막는다.

시험에서는 정의와 Joukowsky 식, 고압과 부압의 대책을 함께 쓴다.

정의, 원리, 계산, 대책 순서로 기억하면 답안이 정리된다.