ウォーターハンマーポンプ(水撃ポンプ)の解析事例

ウォーターハンマー現象(水撃現象)は『充満して流れている管路内の流体が、弁によって急に閉鎖されると、弁の直前で圧力は著しく上昇する。また、静止している管路内の流体は、弁を急に開くことによって流れだすと、圧力は著しく降下する。』と説明されています。

＜参考文献＞
流体の基礎と応用（森田泰司）

この現象の解析事例は『 https://www.cybernet.co.jp/ansys/case/analysis/273.html 』からご覧いただくことが可能です。

解析モデル

今回の事例はウォーターハンマー現象を利用したポンプの事例で、解析モデルは図.1になります(解析は2Dモデル)。
図の色は解析初期条件の水の存在率を表しており、赤が水で満たされており、青は空気の領域になっています。また、Inletから流入し、Outlet-aとOutlet-bから流出する条件になっています。

ウォーターハンマー現象を加味したモデルでは、開閉位置-aと開閉位置-bにて0.5secごとにOpen/Closeを繰り返す設定で、開閉位置-aがOpenなら開閉位置-bはCloseになります。

解析結果

図.2は開閉を行わずに水を流し続けた状態です。水位は開閉位置-aから多少上がった位置になっていることが分かります。

図.2 解析結果(開閉なし)

一方、図.3は0.5[s]ごとに開閉を行った結果です。図.2の水位に比べると高いところまで水が上っていることを確認できます。

図.3 解析結果(開閉あり)

図.4は開閉位置-aよりも上の空間(=初期は空気で満たされていた領域)の水の量を求めたグラフです。横軸が時間で縦軸が水の量です。グラフからも開閉を行うことで揚水を可能にしていることが分かります。

図.4 解析結果(開閉あり)