수격작용

3. 원인 및 영향

밸브의 급격한 개폐, 펌프의 갑작스러운 정지, 체크 밸브의 슬램, 빈 파이프를 채울 때의 급격한 유속 변화 등이 수격 작용을 유발한다.^[37] 수격 작용은 망치질 소리와 비슷한 큰 소음, 반복적인 굉음, 배관 진동 등을 일으키며,^[36] 심한 경우 파이프라인 파손으로 이어질 수 있다.

수력 발전소의 경우, 14km 길이의 7.7m 지름의 터널에 3.75m/s로 이동하는 물이 가득 차 있다면, 이는 대략 8000MJ의 운동 에너지를 나타낸다. 이 에너지는 서지 드럼을 통해 갑작스러운 고압을 방지하여 에너지를 분산시킨다.

주거용 배관 시스템에서는 식기 세척기, 세탁기 또는 변기가 갑자기 물 흐름을 차단할 때 수격 작용이 발생할 수 있다.

수격 작용의 다른 잠재적 원인은 다음과 같다.

• 펌프 정지
• 체크 밸브의 슬램
• 빈 파이프를 채울 때 급격한 유속 변화

4. 대한민국 내 특이사항

대한민국에서는 아파트 등 공동주택에서의 수격 현상으로 인한 층간 소음 문제가 사회적 이슈로 부각되고 있다. 자동 세탁기, 식기 세척기 등 가전제품 사용 증가와 노후 배관 문제가 겹쳐 수격 현상 발생 빈도가 높아지고 있다. 전자 제어화 이전에는 자동 세탁기에서 "쾅" 하는 높은 수격음을 들을 수 있었으나, 이 때문에 자재수전 등 가동부가 있는 수도꼭지에 자동 세탁기의 급수 호스를 연결해 두면, 가동부의 패킹에 손상이 축적되어 누수나 파열의 원인이 되었다.^[1] 그 후, 집합 주택 등에서 소음으로 문제가 되어, 전자 제어화와 동시에 압력 배출 밸브나 단계적 차단 등의 수격 작용 대책이 시행되었다.^[1] 수도꼭지 측에서도 대책품 (TOTO의 해머 세이프, INAX의 해머 쿠션 등)이 있으며, 수전 일체형 또는 스핀들부만으로도 판매되고 있다.^[1]

이에 따라, 건축 시 수격 방지 장치 설치를 의무화하거나, 기존 공동주택에 대한 지원책을 마련하는 등 다양한 해결 방안이 논의되고 있다. 특히 노후 배관 교체 사업은 수격 현상 완화뿐 아니라 녹물 문제 해결 등 주거 환경 개선 효과도 기대할 수 있어, 정부와 지방자치단체의 적극적인 지원이 필요하다.

5. 방지 대책

급격한 밸브 조작을 피하고, 밸브를 천천히 닫는 것이 중요하다.^[21] 건물 급수 압력을 조절하는 감압 밸브(regulator)를 설치한다.^[21] 유속을 낮추기 위해 적절한 파이프 크기를 선정하고, 유속 제한 기준(1.5m/s 이하)을 준수한다.^[21] 넌슬램 체크 밸브(Non-slam check valve)를 사용하여 압력 서지를 줄인다.^[21]

높은 압력 등급의 파이프를 사용하여 손상으로부터 보호한다.^[21] 서지 탱크, 정수탑, 팽창 탱크 및 일부 유형의 유압 축압기와 같은 공기 용기(Air vessel), 수격 방지기(Water hammer arrestor) 등 압력 완화 장치를 설치한다.^[21] 에어 밸브를 설치하여 낮은 압력을 수정한다. 다만, 에어 밸브는 많은 수를 설치해야 하고, 시스템에 공기를 유입시키는 단점이 있어 블로우오프 밸브를 대신 사용하기도 한다.^[21]

직선 파이프 길이를 짧게 하고, 엘보우나 팽창 루프(Expansion loop)를 추가하여 압력파의 영향을 줄인다.^[21] 펌프에 플라이휠을 설치하거나 펌핑 스테이션 우회로를 설치한다.^[21]

자동 세탁기 등 가전제품의 경우, 전자 제어 방식과 함께 압력 배출 밸브, 단계적 차단 등의 수격 작용 대책이 적용된 제품을 사용한다. 수도꼭지 자체에도 수격 방지 대책이 적용된 제품(예: TOTO의 해머 세이프, INAX의 해머 쿠션)이 있으며, 스핀들부만 교체할 수도 있다.^[38]

왕복 엔진의 경우, 침수나 실린더 내 연료 누출 시 점화 플러그를 제거하고 크랭킹하여 액체를 배출한다.^[38]

6. 수격 현상의 크기

유속 ''u''를 가진 유체가 순간적으로 멈추면, 유체 압력 상승 Δ''p''는 다음과 같이 주어진다^[36]：

:$\backslash Delta\; p=\backslash rho\; a\; u$

여기서 ρ는 유체의 밀도, ''a''는 음속이다.

관성을 가진 유체의 운동이 갑자기 멈추면서 그 운동 전방 부분에 생기는 정(正)의 압력에 의해 발생하는 것이 대표적인 수격 작용이지만, 운동 후방 부분에 생기는 부(負)의 압력에 의해서도 비슷한 작용이 발생한다. 부압이 충분히 커지면 액체가 기화하여 배관 내가 부분적으로 증기로 채워지는데(캐비테이션 또는 수주 분리), 부압이 완화되면서 증기가 액체로 돌아갈 때 액체를 끌어당겨 충격음을 발생시킬 수 있다^[37]。

찬물이 들어있는 배관 내에 고온 증기가 들어가 증기가 물에 의해 냉각되어 응축되면서 압력이 낮아지고, 그곳으로 물이 이동하여 배관을 때리는 현상도 있다. 증기식 라디에이터 등의 증기관 계통에서 발생하는 워터 해머는 특히 '''스팀 해머'''^[38]라고도 부른다.

내연 기관의 실린더에 액체가 침입했을 때 일어나는 현상도 워터 해머라고 불리는 경우가 있다. 침수 등으로 인해 실린더 내에 들어간 물이 피스톤의 왕복을 방해하여 커넥팅 로드 등이 파괴될 수 있다.

수격 작용은 ''강성 기둥 이론''과 탄성을 포함하는 완전한 분석, 두 가지 접근 방식으로 분석할 수 있다. 밸브가 닫히는 데 걸리는 시간에 따라 강성 기둥 이론이 적절할 수 있고, 그렇지 않으면 탄성을 고려하는 것이 필요할 수 있다.^[26]

6. 1. 즉각적인 밸브 닫힘; 압축성 유체

• ''a'' = 파동 속도
• ''B'' = 시스템 유체-파이프의 등가 체적 탄성 계수
• ''ρ'' = 유체의 밀도
• ''K'' = 유체의 체적 탄성 계수
• ''E'' = 탄성 계수
• ''D'' = 파이프 내부 직경
• ''t'' = 파이프 벽 두께
• ''c'' = 파동 속도에 대한 무차원 매개변수^[28]

6. 2. 느린 밸브 닫힘; 비압축성 유체

• ''P'' : 압력 (단위: Pa)
• ''ρ'' : 유체 밀도 (단위: kg/m³)
• ''L'' : 파이프 길이 (단위: m)
• ''v'' : 유속 (단위: m/s)
• ''t'' : 밸브 닫힘 시간 (단위: s)

7. 동역학 방정식

수격 현상은 다음 편미분 방정식을 풀어 시뮬레이션할 수 있다.

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

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

여기서 ''V''는 파이프 내부의 유체 속도, $\backslash rho$는 유체 밀도, ''B''는 ''등가'' 체적 탄성 계수, ''f''는 다르시-바이스바흐 마찰 계수이다.^[28]

대부분의 수격 작용 소프트웨어 패키지는 관련 미분 방정식을 해결하기 위해 특성법을 사용한다.^[28] 이 방법은 파이프라인 내에 공기 또는 가스가 유입되어 파동 속도가 시간에 따라 변하지 않는 경우에 잘 작동한다. 파동법 (WM) 또한 다양한 소프트웨어 패키지에서 사용된다. WM을 사용하면 운영자가 대규모 네트워크를 효율적으로 분석할 수 있다. 많은 상용 및 비상용 패키지를 사용할 수 있다.

소프트웨어 패키지는 모델링된 프로세스에 따라 복잡성이 다양하다. 더 정교한 패키지는 다음과 같은 기능을 가질 수 있다.

• 다상 흐름 기능.
• 공동 현상의 성장과 붕괴를 위한 알고리즘.
• 비정상적인 마찰: 압력파는 난류가 생성되고 유속 분포의 변화로 인해 감쇠된다.
• 더 높은 압력에 대한 벌크 탄성 계수 변화 (물이 덜 압축됨).
• 유체-구조 상호 작용: 파이프라인은 변화하는 압력에 반응하여 자체적으로 압력파를 발생시킨다.

8. 응용 분야

수격 작용 원리는 유압 펌프를 만드는 데 사용될 수 있다.^[34] 또한, 수격 작용은 누수를 탐지하고, 파이프라인 내 밀폐된 공기 주머니를 감지하는 데에도 활용된다.^[34] 붕괴하는 마이크로캐비티에 의해 생성된 액체 제트의 수격 작용은 비침습적 경피 약물 전달에 대한 잠재적 응용 분야로 연구되고 있다.^[34]

참조

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_[2] 서적 The Ten Books on Architecture https://archive.org/[...] Harvard University Press 1914
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_[4] 뉴스 The hidden world beneath the ancient Alhambra fortress https://filmgranada.[...] BBC 2020
_[5] 논문 Account of a machine for raising water, executed at Oulton, in Cheshire, in 1772 https://books.google[...]
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_[7] 논문 Thomas Young's research on fluid transients: 200 years on http://www.win.tue.n[...]
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_[10] 논문 Intorno alla resistenza dei tubi alle pressioni continue e ai colpi d'ariete https://babel.hathit[...] 1874
_[11] 논문 Thomas Young's research on fluid transients: 200 years on British Hydromechanics Research Association 2008
_[12] 논문 Hydraulic investigations, subservient to an intended Croonian lecture on the motion of the blood https://babel.hathit[...] 1808
_[13] 논문 Ueber die Beziehungen zwischen Druck und Geschwindigkeit, welche bei der Wellenbewegung in elastischen Schläuchen bestehen https://books.google[...] Akademische Verlagsbuchhandlung 1883
_[14] 논문 Studien zur Pulslehre https://books.google[...] Akademische Verlagsbuchhandlung 1892
_[15] 논문 A precursor in waterhammer analysis – rediscovering Johannes von Kries http://www.win.tue.n[...] 2004
_[16] 논문 Johannes von Kries and the history of water hammer 2007
_[17] 논문 The Joukowsky equation for fluids and solids http://www.win.tue.n[...] 2006
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_[22] 웹사이트 CR4 - Thread: Pressure Shaft and Surge Shaft http://cr4.globalspe[...] 2012-07-16
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_[28] 서적 Fluid Mechanics McGraw-Hill Higher Education
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_[30] 웹사이트 What is Water Hammer/Steam Hammer ? https://www.forbesma[...] 2019-12-26
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_[33] 서적 Du Coup de Bélier en Hydraulique - Au Coup de Foudre en Electricité Paris: Dunod 1950
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_[35] 서적 まるごとわかる住まいの建築設備 快適な環境を作る設備設計の考え方 オーム社
_[36] 서적 圧縮性流体力学 理工学社
_[37] 서적 水道の本 日刊工業新聞社 2011-11-16
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_[39] 웹사이트 Engineer fears repeat of 1988 Aloha jet accident http://the.honolulua[...] 2001-01-18
_[40] 서적 토목기사 대비 상하수도 공학 한솔아카데미 2016