水锤作用

水锤作用（英语：Water Hammer），或称水击，是流体的压力突增或是压力波动造成的现象。意指水流于长管路中流动，此时若将管路下游之阀门快速关闭，水流之流动具有惯性之动量，因此水流之惯性动量持续往前推挤，造成管内压力急速上升，造成管路受到破坏。在住家发生时，除了慢慢的破坏管线外，其噪音会造成很大的困扰，常会让人误以为噪音是邻居制造的。

被水锤作用破坏的伸缩缝

水锤作用大小则视水路之流量与水头落差（指管路两头落差），瞬间流量与水头落差愈大，造成流速愈快，相对地水流的惯性动量愈大，产生水锤作用所造成之巨大压力更是惊人，有可能造成设备之损害，因此通常会有泄压装备将管内压力宣泄，减低管内水流造成冲冲击波持续震荡。

水锤作用的发生并不仅限于水流，流体（包括气体、液体及气液混合体）的管路流动均有可能产生水锤作用。

水锤作用过程

该产生之压力以水中之音速往上游传递为压力波，并逐渐停止水流，当压力波传抵管路上游出口，则压力被释放。此时，因管内之压力大于上游出口外之压力，导致管中水流开始往上游出口回流。当此回流抵阀门时，因阀门为关闭状态，造成阀门处产生负压波，水流又趋于静止。该负压波再度传抵管路上游出口，造成水流再度往管路中流进。如此水流持续在管中震荡，因受管壁摩阻力之影响及管路上游水流进出之阻力影响，该水流震荡强度将逐渐缩小，直至水流完全停止^[1]。

当高速行进之列车进入隧道，重击隧道内之空气亦会产生高压波，该高压波如同水锤作用之压力波在隧道内传递，并逐渐将隧道内之空气加速，则被称之为活塞效应。

强度概算

水锤作用所产生之压力在不考量管路之摩阻力情况下其值大约为水之密度与音速及流速改变量之乘积，水之密度每立方公尺约为1000公斤、固定钢管中水传递之音速一般大于每秒1000公尺，若水之流速原为每秒1公尺，因阀门突然瞬间关闭使得流速变停止，则其产生之压力便为1百万帕（Pa），若管路之面积为1平方公尺，则其作用力可达1百万牛顿。

实例

台北动物园利用电磁阀代替抽水泵控制抽水时产生的虹吸导致的水锤问题，同时因此节约用水。^[2]

南化水库连通管路爆管有可能为管路无法抵挡水锤作用所产生之压力^[3]。

解决方法

在水力发电输水路与钢管之间常设有平压塔，便是在减缓水锤之压力波往水路上游传递之强度，或于管路间设置释压阀将过大之压力予以释放，有些气体管路则设置有气室（air chamber），等等。但最为有效、最低成本的安全做法是：开启或关闭阀门时，阀门之开孔避免过快关闭，换言之，不要使管路中之水流速度发生遽烈改变。

不稳定流摩阻力

管壁与震荡水流之摩阻力( 不稳定流摩阻力 )是指：当稳定水流于管路中流动，其产生之摩阻力已被详细研究(可参考一般流体力学书籍)。所以在水锤作用之管路亦常有人以近似稳定流摩阻力进行计算，但由研究发现该摩阻力远远大于近似稳定流之摩阻力，因此若以不稳定流摩阻力计算则更为准确^[4][5]。不稳定流之摩阻力不仅与当时管路中断面之平均速度有关，且与其平均流速之变化历史有关，越久远前之流速对于目前之摩阻力影响则越小 ^[6]。而目前对于不稳定流摩阻力之研究仅止于直管，对于弯管及分岐管等，则有待更近一步之研究^[7]。

液体管路之流体动力分析

典型的水锤作用压力波

当一复杂系统之流体管路，其管路系统之复杂连结及相关设施，将必须仰赖流体动力软件程式进行分析，而该类软件程式则必须考量快速波动之传递，而若要提高其分析之精确度则必须考量不稳定流摩阻力之作用。^[8]

水锤效应可以通过下面的偏微分方程组来模拟。

${\displaystyle {\frac {\partial V}{\partial x}}+{\frac {1}{B_{m}}}{\frac {\partial P}{\partial t}}=0\,}$

${\displaystyle {\frac {\partial V}{\partial t}}+{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial P}{\partial x}}+{\frac {f}{2D}}V|V|=0\,}$

其中V是内管的流体的速度, ${\displaystyle \rho }$ 是流体密度和${\displaystyle B_{m}}$ 是相等的体积模量, f 是摩擦系数。

参考文献

1. 流體力學. [2014-02-27]. （原始内容存档于2014-03-03）.
2. 小創意大效用 動物園團隊創新電磁閥的使用. [2016-06-05].^{[失效链接]}
3. 经济部水利署南区水资源局简报资料^{[永久失效链接]}
4. 黄国伦，〈建立近似二维模式模拟不稳定管流之磨阻力 （页面存档备份，存于互联网档案馆）〉，《中兴工程第36期》，1992年7月
5. Vardy, A.E.; Hwang Kuo-Lun (1991)〈A Characteristics Model of Transient Friction in Pipes〉 《 Jou. of Hyd. Res.》pp.669-684.
6. Vardy, A.E.; Hwang Kuo-Lun And Brown James M. B. (1993)〈A weighting function model of transient turbulent pipe friction〉《Jou. of Hyd. Res.》pp.533-548。
7. TOAPITS，http://www.toapits.com/ （页面存档备份，存于互联网档案馆） 《TOAPITS Tunnel Ventilation Research Center》
8. Shu, Jian-Jun. Modelling vaporous cavitation on fluid transients. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 3 March 2003, 80 (3): 187–195. S2CID 28398872. arXiv:1409.8042 . doi:10.1016/S0308-0161(03)00025-5.

参考条目

• 楼上波子声
• 水锤马达（英语：Hydraulic ram）
• 空蚀现象
• 撞击

外部链接

• 什么是水锤？ （页面存档备份，存于互联网档案馆）