الهندسة الهيدروليكية: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و10 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

القوة الهيدروستاتيكية

الضغط عند عمق: p = ρgh
القوة على جدار رأسي: F = ρg·h_c·A
مركز الضغط: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
مستطيل: I_c = bH³/12

الاستمرارية وبرنولي

الاستمرارية: A₁v₁ = A₂v₂
برنولي: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
معدّل التدفّق: Q = A·v
مساحة الدائرة: A = πd²/4

احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

عدد رينولدز: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
نظام الجريان: صفائحي تحت Re ≈ 2000، مضطرب فوق Re ≈ 4000
السرعة المتوسطة: V = Q/A, A = π·D²/4
دارسي–فايسباخ: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
الفواقد الثانوية: h_m = ΣK·V²/(2g)
قيم K النموذجية: المدخل 0,5، المخرج 1,0، كوع 90° ≈ 0,3
هبوط الضغط: Δp = ρ·g·h_f
خزانان مفتوحان: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
مخرج حر: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

المضخات وقدرة المضخات

القدرة الهيدروليكية: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
قدرة العمود: P_shaft = P_h/η_pump
القدرة الكهربائية: P_el = P_shaft/η_motor
سمت المضخة: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
فواقد المنظومة: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)

معادلة مانينغ: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
معدّل التدفّق: Q = A·V
نصف القطر الهيدروليكي: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
مستطيل: A = b·y, P = b + 2y
شبه منحرف (ميل الجانب z:1): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
أنبوب دائري، ممتلئ أو نصف ممتلئ: R = D/4
الميل المطلوب: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

2مسائل تدريبية

1.القوة الهيدروستاتيكيةمتوسطة

بوابة مستطيلة رأسية عرضها 3 m في جدار خزان يحتوي ماء، وحافتها العليا على عمق 2,5 m تحت السطح. أوجد القوة الهيدروستاتيكية المحصّلة F على البوابة.

d = 2,5 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

2.القوة الهيدروستاتيكيةصعبة

بوابة مستطيلة رأسية عرضها 1,5 m في جدار خزان يحتوي زيت، وحافتها العليا على عمق 2,5 m تحت السطح. أوجد عمق y_cp مركز الضغط تحت السطح.

d = 2,5 mH = 1 mb = 1,5 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²

y_cp = m

3.الاستمرارية وبرنوليمتوسطة

يجري الماء في مقياس فنتوري أفقي قطر مدخله 200 mm وقطر حلقه 100 mm. الضغط عند المدخل أعلى منه عند الحلق بمقدار 37 kPa. بإهمال الفواقد، أوجد معدّل التدفّق Q.

d₁ = 200 mmd₂ = 100 mmp₁ − p₂ = 37 kPaρ = 1000 kg/m³

Q = L/s

4.الاستمرارية وبرنوليصعبة

فوهة نافورة متجهة إلى الأعلى مباشرةً. تحت الفوهة مباشرةً قطر أنبوب التغذية 50 mm وضغطه المقيس 130 kPa. قطر مخرج الفوهة 25 mm، وفرق الارتفاع عبر الفوهة مهمل. بإهمال الفواقد ومقاومة الهواء، أوجد الارتفاع H الذي يرتفعه النفث فوق الفوهة. استخدم g = 9,81 m/s².

d₁ = 50 mmp₁ = 130 kPa (مقيس)d₂ = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

H = m

5.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتمتوسطة

يجري ماء (ρ = 1000 kg/m³) بسرعة 2,4 m/s في أنبوب أفقي طوله 500 m وقطره الداخلي 50 mm. استخدم معامل احتكاك دارسي f = 0,018 و g = 9,81 m/s². أوجد هبوط الضغط Δp على امتداد الأنبوب بالـ kPa.

V = 2,4 m/sL = 500 mD = 50 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

6.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتصعبة

خزانان مفتوحان يصل بينهما أنبوب طوله 600 m وقطره الداخلي 300 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,015. سطح الماء في الخزان العلوي أعلى بـ 24 m من سطح الخزان السفلي. الفواقد الثانوية هي: مدخل حاد الحافة (K = 0,5)، و 4 أكواع (K = 0,3 لكل منها)، وصمام (K = 2) والمخرج إلى الخزان السفلي (K = 1,0). استخدم g = 9,81 m/s². أوجد معدل التدفق Q بالـ L/s.

Δz = 24 mL = 600 mD = 300 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 2K_exit = 1,0

Q = L/s

7.المضخات وقدرة المضخاتمتوسطة

مضخة كفاءتها 72% تدفع 60 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) ضد سمت 56 m. استخدم g = 9,81 m/s². أوجد قدرة العمود P_shaft اللازمة، بالـ kW.

Q = 60 L/sH = 56 mη = 72%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

8.المضخات وقدرة المضخاتصعبة

مضخة تنقل 75 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) من خزان سفلي مفتوح إلى خزان علوي سطح مائه أعلى بـ 7 m. طول الأنبوب 500 m وقطره الداخلي 200 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,025؛ ومجموع معاملات الفواقد الثانوية ΣK = 5 (بما فيها المدخل والمخرج). استخدم g = 9,81 m/s². كفاءة المضخة 75%. أوجد قدرة العمود P_shaft بالـ kW.

Q = 75 L/sΔz = 7 mL = 500 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 5η = 75%

P_shaft = kW

9.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)متوسطة

قناة شبه منحرفة تربة مبطّنة بالعشب عرض قاعها 2,5 m وميولها الجانبية 1:1 (أفقي:رأسي). يجري الماء جريانًا منتظمًا بعمق 1,8 m. معامل مانينغ n = 0,03 وميل القاع S = 0,005. أوجد معدل التدفق Q بالـ m³/s.

b = 2,5 my = 1,8 mz = 1n = 0,03S = 0,005

Q = m³/s

10.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)صعبة

مجرى صرف خرساني قطره الداخلي 375 mm (معامل مانينغ n = 0,013) يجب أن يبلغ سرعة التنظيف الذاتي 0,9 m/s عندما يجري ممتلئًا. أوجد أدنى ميل S (بالـ m/m).

D = 375 mmn = 0,013V = 0,9 m/s

S = m/m

3المحاليل

1.القوة الهيدروستاتيكية

الإجابة: F = 275,9 kN

القوة الهيدروستاتيكية على سطح مستوٍ: F = ρ·g·y_c·A. وتؤثّر عند مركز الضغط، y_cp = y_c + I_c/(y_cA)، الذي يقع دائمًا أسفل المركز.

عمق المركز والمساحة

y_c = d + H/2 = 2,5 + 2,5/2 = 3,75 m

A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²

القوة المحصّلة

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·3,75·7,5 = 275,9 kN

الإجابة

F = 275,9 kN

2.القوة الهيدروستاتيكية

الإجابة: y_cp = 3,028 m

عمق المركز والمساحة

y_c = d + H/2 = 2,5 + 1/2 = 3 m

A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²

القوة المحصّلة

F = ρ·g·y_c·A = 880·9,81·3·1,5 = 38,85 kN

مركز الضغط

يزداد الضغط مع العمق، لذا تؤثّر المحصّلة أسفل المركز.

I_c = b·H³/12 = 1,5·1³/12 = 0,125 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 3 + 0,125/(3·1,5) = 3,028 m

الإجابة

y_cp = 3,028 m

3.الاستمرارية وبرنولي

الإجابة: Q = 69,78 L/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

الاستمرارية

v₁ = v₂·(100/200)² = 0,25·v₂

برنولي بين المدخل والحلق

الأنبوب أفقي، لذا يتغيّر الضغط والسرعة فقط.

p₁ − p₂ = ½ρv₂²(1 − β⁴)

v₂ = √(2·37000/(1000·(1 − 0,0625))) = 8,884 m/s

v₁ = 2,221 m/s

معدّل التدفّق

Q = A₂·v₂ = 0,007854·8,884 = 0,06978 m³/s = 69,78 L/s

الإجابة

Q = 69,78 L/s

4.الاستمرارية وبرنولي

الإجابة: H = 14,14 m

سرعة الخروج

β = 25/50 = 0,5

v₂ = √(2p₁/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·130000/(1000·0,9375)) = 16,65 m/s

ارتفاع النفث

برنولي على امتداد النفث: عند القمة تكون السرعة صفرًا والضغط جويًا مرة أخرى.

H = v₂²/(2g) = 16,65²/(2·9,81) = 14,14 m

الإجابة

H = 14,14 m

5.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

الإجابة: Δp = 518,4 kPa

الجريان في الأنابيب: يميّز عدد رينولدز Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ الجريان الصفائحي (Re أقل من نحو 2000) من الجريان المضطرب (فوق نحو 4000). يكلّف الاحتكاك على طول الأنبوب فاقد سمت دارسي–فايسباخ h_f = f·(L/D)·V²/(2g). وتضيف الوصلات والصمامات والمدخل والمخرج فواقد ثانوية h_m = ΣK·V²/(2g). بين سطحي خزانين مفتوحين تعطي معادلة الطاقة Δz = h_f + h_m، مع احتساب فاقد المخرج K = 1.

فاقد السمت

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(500/0,05)·2,4²/(2·9,81) = 52,84 m

هبوط الضغط

الأنبوب أفقي والسرعة لا تتغيّر، لذا تختزل معادلة الطاقة إلى Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·52,84 = 518400 Pa = 518,4 kPa

الإجابة

Δp = 518,4 kPa

6.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

الإجابة: Q = 260,4 L/s

معاملات الفاقد

f·L/D = 0,015·600/0,3 = 30

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

معادلة الطاقة

السطحان مفتوحان للهواء وساكنان عمليًا، لذا تُفقد Δz كلها في الأنبوب.

24 = (30 + 4,7)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·24/34,7) = 3,684 m/s

معدّل التدفّق

Q = V·π·D²/4 = 3,684·0,07069 = 0,2604 m³/s = 260,4 L/s

الإجابة

Q = 260,4 L/s

7.المضخات وقدرة المضخات

الإجابة: P_shaft = 45,78 kW

قدرة المضخة: القدرة المعطاة للماء هي القدرة الهيدروليكية P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. يجب أن يقدّم العمود أكثر من ذلك لأن المضخة تفقد جزءًا: P_shaft = P_h/η_pump، ويسحب المحرّك P_el = P_shaft/η_motor. يُستنتج سمت المضخة H من معادلة الطاقة: الرفع الاستاتيكي + سمت الضغط + كل فواقد الاحتكاك والفواقد الثانوية.

القدرة الهيدروليكية

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·56 = 32,96 kW

قدرة العمود

P_shaft = P_h/η = 32,96/0,72 = 45,78 kW

الإجابة

P_shaft = 45,78 kW

8.المضخات وقدرة المضخات

الإجابة: P_shaft = 26,1 kW

السرعة المتجهة

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s

V²/(2g) = 0,2905 m

فواقد السمت

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (62,5 + 5)·0,2905 = 19,61 m

سمت المضخة

H = Δz + h_L = 7 + 19,61 = 26,61 m

قدرة العمود

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·26,61/0,75 = 26,1 kW

الإجابة

P_shaft = 26,1 kW

9.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)

الإجابة: Q = 18,48 m³/s

معادلة مانينغ (SI): للجريان المنتظم في قناة مفتوحة V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 و Q = A·V، حيث n معامل الخشونة، و S ميل القاع (m/m)، و R = A/P نصف القطر الهيدروليكي: مساحة الجريان مقسومة على المحيط المبلَّل. لا يُحسب في P إلا الحدّ الملامس للماء، لا السطح الحر. المستطيل: A = b·y، P = b + 2y. شبه المنحرف بميول جانبية z:1 (أفقي:رأسي): A = (b + z·y)·y، P = b + 2y·√(1 + z²). الأنبوب الدائري الممتلئ أو نصف الممتلئ له R = D/4.

الهندسة

A = (b + z·y)·y = (2,5 + 1·1,8)·1,8 = 7,74 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 2,5 + 2·1,8·√(1 + 1²) = 7,591 m

R = A/P = 1,02 m

السرعة المتجهة

V = (1/0,03)·1,02^2/3·0,005^1/2 = 2,388 m/s

معدّل التدفّق

Q = A·V = 7,74·2,388 = 18,48 m³/s

الإجابة

Q = 18,48 m³/s

10.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)

الإجابة: S = 0,003214 m/m

نصف القطر الهيدروليكي

R = D/4 = 0,375/4 = 0,09375 m

حلّ معادلة مانينغ لإيجاد S

S = (n·V/R^2/3)² = (0,013·0,9/0,2064)² = 0,003214

الإجابة

S = 0,003214

هذا انخفاض قدره 3,214 m لكل كيلومتر.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering