القوة الهيدروستاتيكية
- الضغط عند عمق
- p = ρgh
- القوة على جدار رأسي
- F = ρg·hc·A
- مركز الضغط
- yp = yc + Ic/(ycA)
- مستطيل
- Ic = bH³/12
الهندسة الهيدروليكية: حزمة المراجعة المكثفة
أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و10 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.
1القوانين وطرق الحل
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
- hf = f·(L/D)·V²/(2g)
- الفواقد الثانوية
- hm = ΣK·V²/(2g)
- قيم K النموذجية
- المدخل 0,5، المخرج 1,0، كوع 90° ≈ 0,3
- هبوط الضغط
- Δp = ρ·g·hf
- خزانان مفتوحان
- Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
- مخرج حر
- H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
المضخات وقدرة المضخات
- القدرة الهيدروليكية
- Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
- قدرة العمود
- Pshaft = Ph/ηpump
- القدرة الكهربائية
- Pel = Pshaft/ηmotor
- سمت المضخة
- H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
- فواقد المنظومة
- hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)
- معادلة مانينغ
- V = (1/n)·R2/3·S1/2
- 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·R2/3))²
2مسائل تدريبية
1.القوة الهيدروستاتيكيةمتوسطة
بوابة مستطيلة رأسية عرضها 1 m في جدار خزان يحتوي ماء، وحافتها العليا على عمق 3 m تحت السطح. أوجد القوة الهيدروستاتيكية المحصّلة F على البوابة.
d = 3 mH = 2,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
2.القوة الهيدروستاتيكيةصعبة
بوابة مستطيلة رأسية عرضها 1 m في جدار خزان يحتوي ماء البحر، وحافتها العليا على عمق 3 m تحت السطح. أوجد القوة الهيدروستاتيكية المحصّلة F على البوابة.
d = 3 mH = 1 mb = 1 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.الاستمرارية وبرنوليمتوسطة
يجري الماء بمعدّل 10 L/s في أنبوب أفقي يضيق من 100 mm إلى 50 mm. الضغط في المقطع الضيق 140 kPa. بإهمال الفواقد، أوجد الضغط p1 في المقطع الواسع.
Q = 10 L/sd1 = 100 mmd2 = 50 mmp2 = 140 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
4.الاستمرارية وبرنوليصعبة
يتدفّق الماء صعودًا في أنبوب يضيق من 150 mm إلى 40 mm بينما يرتفع 7 m. في المقطع 1 الضغط 160 kPa والسرعة 0,5 m/s. بإهمال الفقد، أوجد الضغط p2 في المقطع 2.
d1 = 150 mmd2 = 40 mmp1 = 160 kPav1 = 0,5 m/sΔz = 7 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتمتوسطة
يجري ماء بمعدل 30 L/s في أنبوب طوله 100 m وقطره الداخلي 200 mm. استخدم معامل احتكاك دارسي f = 0,018 و g = 9,81 m/s². أوجد فاقد السمت بالاحتكاك hf.
Q = 30 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
6.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتصعبة
خزانان مفتوحان يصل بينهما أنبوب طوله 400 m وقطره الداخلي 300 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,02. سطح الماء في الخزان العلوي أعلى بـ 36 m من سطح الخزان السفلي. الفواقد الثانوية هي: مدخل حاد الحافة (K = 0,5)، و 2 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 = 36 mL = 400 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
7.المضخات وقدرة المضخاتمتوسطة
مضخة تدفع 60 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) ضد سمت 36 m. كفاءة المضخة 70% وكفاءة المحرّك الكهربائي الذي يشغّلها 92%. استخدم g = 9,81 m/s². أوجد القدرة الكهربائية Pel التي يسحبها المحرّك، بالـ kW.
Q = 60 L/sH = 36 mηpump = 70%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
8.المضخات وقدرة المضخاتصعبة
مضخة تنقل 100 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) من خزان سفلي مفتوح إلى خزان علوي سطح مائه أعلى بـ 6 m. طول الأنبوب 300 m وقطره الداخلي 250 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,015؛ ومجموع معاملات الفواقد الثانوية ΣK = 3 (بما فيها المدخل والمخرج). استخدم g = 9,81 m/s². كفاءة المضخة 80%. أوجد قدرة العمود Pshaft بالـ kW.
Q = 100 L/sΔz = 6 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 3η = 80%
Pshaft = kW
9.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)متوسطة
قناة شبه منحرفة تربة مبطّنة بالعشب عرض قاعها 5 m وميولها الجانبية 1,5:1 (أفقي:رأسي). يجري الماء جريانًا منتظمًا بعمق 0,9 m. معامل مانينغ n = 0,03 وميل القاع S = 0,004. أوجد معدل التدفق Q بالـ m³/s.
b = 5 my = 0,9 mz = 1,5n = 0,03S = 0,004
Q = m³/s
10.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)صعبة
مجرى صرف خرساني قطره الداخلي 200 mm (معامل مانينغ n = 0,013) يجب أن يبلغ سرعة التنظيف الذاتي 0,75 m/s عندما يجري ممتلئًا. أوجد أدنى ميل S (بالـ m/m).
D = 200 mmn = 0,013V = 0,75 m/s
S = m/m
3المحاليل
1.القوة الهيدروستاتيكية
الإجابة: F = 104,2 kN
القوة الهيدروستاتيكية على سطح مستوٍ: F = ρ·g·yc·A. وتؤثّر عند مركز الضغط، ycp = yc + Ic/(ycA)، الذي يقع دائمًا أسفل المركز.
عمق المركز والمساحة
yc = d + H/2 = 3 + 2,5/2 = 4,25 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
القوة المحصّلة
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,25·2,5 = 104,2 kN
الإجابة
F = 104,2 kN
2.القوة الهيدروستاتيكية
الإجابة: F = 35,19 kN
القوة الهيدروستاتيكية على سطح مستوٍ: F = ρ·g·yc·A. وتؤثّر عند مركز الضغط، ycp = yc + Ic/(ycA)، الذي يقع دائمًا أسفل المركز.
عمق المركز والمساحة
yc = d + H/2 = 3 + 1/2 = 3,5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
القوة المحصّلة
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·3,5·1 = 35,19 kN
الإجابة
F = 35,19 kN
3.الاستمرارية وبرنولي
الإجابة: p1 = 152,2 kPa
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.
السرعات
v1 = Q/A1 = 0,01/0,007854 = 1,273 m/s
v2 = Q/A2 = 0,01/0,001963 = 5,093 m/s
برنولي
p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 140 + ½·1000·(5,093² − 1,273²)/1000 = 140 + 12,16 = 152,2 kPa
الإجابة
p1 = 152,2 kPa
4.الاستمرارية وبرنولي
الإجابة: p2 = 66,74 kPa
الاستمرارية وبرنولي: لمائع غير قابل للانضغاط، معدّل التدفّق واحد عند كل مقطع، Q = A₁v₁ = A₂v₂. وعلى امتداد خط انسياب دون فقد، يبقى p + ½ρv² + ρgz ثابتًا، لذا حيث يكون المائع أسرع أو أعلى يكون ضغطه أقل.
الاستمرارية وبرنولي
اعمل بالـ Pa، ثم اقسم على 1000 للحصول على kPa.
v2 = v1·(d1/d2)² = 0,5·(150/40)² = 7,031 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0,5² − 7,031²)/1000 = −24,59 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·7/1000 = 68,67 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 160 + (−24,59) − 68,67 = 66,74 kPa
الإجابة
p2 = 66,74 kPa
5.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت
الإجابة: hf = 0,4183 m
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 hf = f·(L/D)·V²/(2g). وتضيف الوصلات والصمامات والمدخل والمخرج فواقد ثانوية hm = ΣK·V²/(2g). بين سطحي خزانين مفتوحين تعطي معادلة الطاقة Δz = hf + hm، مع احتساب فاقد المخرج K = 1.
السرعة المتوسطة
A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,03/0,03142 = 0,9549 m/s
سمت السرعة
V²/(2g) = 0,9549²/(2·9,81) = 0,04648 m
دارسي–فايسباخ
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(100/0,2)·0,9549²/(2·9,81) = 0,4183 m
الإجابة
hf = 0,4183 m
6.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت
الإجابة: Q = 338,7 L/s
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 hf = f·(L/D)·V²/(2g). وتضيف الوصلات والصمامات والمدخل والمخرج فواقد ثانوية hm = ΣK·V²/(2g). بين سطحي خزانين مفتوحين تعطي معادلة الطاقة Δz = hf + hm، مع احتساب فاقد المخرج K = 1.
معاملات الفاقد
f·L/D = 0,02·400/0,3 = 26,67
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1
معادلة الطاقة
السطحان مفتوحان للهواء وساكنان عمليًا، لذا تُفقد Δz كلها في الأنبوب.
36 = (26,67 + 4,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·36/30,77) = 4,791 m/s
معدّل التدفّق
Q = V·π·D²/4 = 4,791·0,07069 = 0,3387 m³/s = 338,7 L/s
الإجابة
Q = 338,7 L/s
7.المضخات وقدرة المضخات
الإجابة: Pel = 32,9 kW
قدرة المضخة: القدرة المعطاة للماء هي القدرة الهيدروليكية Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. يجب أن يقدّم العمود أكثر من ذلك لأن المضخة تفقد جزءًا: Pshaft = Ph/ηpump، ويسحب المحرّك Pel = Pshaft/ηmotor. يُستنتج سمت المضخة H من معادلة الطاقة: الرفع الاستاتيكي + سمت الضغط + كل فواقد الاحتكاك والفواقد الثانوية.
القدرة الهيدروليكية
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·36 = 21,19 kW
قدرة العمود
Pshaft = 21,19/0,7 = 30,27 kW
القدرة الكهربائية
Pel = 30,27/0,92 = 32,9 kW
الإجابة
Pel = 32,9 kW
8.المضخات وقدرة المضخات
الإجابة: Pshaft = 12,8 kW
قدرة المضخة: القدرة المعطاة للماء هي القدرة الهيدروليكية Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. يجب أن يقدّم العمود أكثر من ذلك لأن المضخة تفقد جزءًا: Pshaft = Ph/ηpump، ويسحب المحرّك Pel = Pshaft/ηmotor. يُستنتج سمت المضخة H من معادلة الطاقة: الرفع الاستاتيكي + سمت الضغط + كل فواقد الاحتكاك والفواقد الثانوية.
السرعة المتجهة
V = Q/A = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m
فواقد السمت
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 3)·0,2115 = 4,442 m
سمت المضخة
H = Δz + hL = 6 + 4,442 = 10,44 m
قدرة العمود
Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,1·10,44/0,8 = 12,8 kW
الإجابة
Pshaft = 12,8 kW
9.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)
الإجابة: Q = 9,436 m³/s
معادلة مانينغ (SI): للجريان المنتظم في قناة مفتوحة V = (1/n)·R2/3·S1/2 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 = (5 + 1,5·0,9)·0,9 = 5,715 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·0,9·√(1 + 1,5²) = 8,245 m
R = A/P = 0,6931 m
السرعة المتجهة
V = (1/0,03)·0,69312/3·0,0041/2 = 1,651 m/s
معدّل التدفّق
Q = A·V = 5,715·1,651 = 9,436 m³/s
الإجابة
Q = 9,436 m³/s
10.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)
الإجابة: S = 0,005161 m/m
معادلة مانينغ (SI): للجريان المنتظم في قناة مفتوحة V = (1/n)·R2/3·S1/2 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.
نصف القطر الهيدروليكي
R = D/4 = 0,2/4 = 0,05 m
حلّ معادلة مانينغ لإيجاد S
S = (n·V/R2/3)² = (0,013·0,75/0,1357)² = 0,005161
الإجابة
S = 0,005161
هذا انخفاض قدره 5,161 m لكل كيلومتر.
ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering