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事例:ウォーターハンマー

パイプラインの保護

1.ここではポンプトリップに起因する水柱分離によって発生するウォーターハンマー(水撃作用)のモデル化とその対策の効果を示します。図 1にシミュレーションの操作用画面を示します。画面中央下側にポンプと逆止弁があり、パイプラインが40m起ち上がります。その後、約11.5°の傾斜で100m、約1.5°の傾斜で200m、そして大気圧の環境に水が放出されます。ベンドの部分にはサージタンクが接続されています。また、ジャンクションの部分では軸荷重と曲げ荷重が計算されます。操作用画面の元になっているネットワークモデルを図 4に示します。

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図 1 ウォーターハンマーのモデル化

2.サージタンクを無効にした場合のパイプライン内の圧力変動を図 2に示します。ピークの圧力は1200kPaを超えています。また、圧力降下時には負圧が発生しています。

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図 2 パイプラインの圧力変動(サージタンク無効)

3.サージタンクを有効にした場合のパイプライン内の圧力変動を図 3に示します。ピークの圧力は900kPa未満に減少して、負圧も発生していません。

03hmi2_hammer2.png
図 3 パイプラインの圧力変動(サージタンク有効)

4.Flownexによるネットワークモデルを図 4に示します。ビジュアリゼーション機能を用いて、この画面を元に図 1の操作用画面を作成しています。

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図 4 ネットワークモデル

5.可変容量ポンプの性能曲線を図 5に示します。体積流量に対する揚程とポンプ効率を設定しています。キャビテーションの評価が必要な場合はNPSHも設定することができます。

05pump_hammer.png
図 5

6.パイプのプロパティ設定画面を図 6に示します。圧力波を正確に捉えるために、パイプの管厚とヤング率を設定して軸方向に離散化しています。また、水には体積弾性率を設定しています。

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図 6

7.パイプの計算結果画面を図 7に示します。パイプの入口出口の圧力差と速度差を用いて、パイプにかかる荷重を計算しています。

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図 7

8.計算精度や収束安定性を高めるために、Flow Solverのパラメータを調節しています。

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図 8

9.このシミュレーションの動画は、こちらでご覧いただけます。


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