الهندسة الهيدروليكية: حزمة المراجعة المكثفة

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

مسائل جديدةالعودة 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·hc·A
مركز الضغط
yp = yc + Ic/(ycA)
مستطيل
Ic = 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
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
بوابةd = 3 mH = 2,5 m

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
بوابةd = 2 mH = 2 m

بوابة مستطيلة رأسية عرضها 1,5 m في جدار خزان يحتوي زيت، وحافتها العليا على عمق 2 m تحت السطح. أوجد القوة الهيدروستاتيكية المحصّلة F على البوابة.

d = 2 mH = 2 mb = 1,5 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.الاستمرارية وبرنوليمتوسطة
12d1​ = 200 mm, p1​ = 310 kPad2​ = 100 mm, p2​ = ?

يتدفّق الماء في أنبوب أفقي يضيق من 200 mm إلى 100 mm. في الجزء الواسع الضغط 310 kPa والسرعة 1,25 m/s. بإهمال الفقد، أوجد الضغط p2 في الجزء الضيق.

d1 = 200 mmd2 = 100 mmp1 = 310 kPav1 = 1,25 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
4.الاستمرارية وبرنوليصعبة
12d1​ = 200 mm, p1​ = 330 kPad2​ = 100 mm, p2​ = ?Δz = 9 m

يتدفّق الماء صعودًا في أنبوب يضيق من 200 mm إلى 100 mm بينما يرتفع 9 m. في المقطع 1 الضغط 330 kPa والسرعة 2,75 m/s. بإهمال الفقد، أوجد الضغط p2 في المقطع 2.

d1 = 200 mmd2 = 100 mmp1 = 330 kPav1 = 2,75 m/sΔz = 9 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتمتوسطة
V = 1,1 m/sD = 150 mmL = 400 mf = 0,018

يجري ماء (ρ = 1000 kg/m³) بسرعة 1,1 m/s في أنبوب أفقي طوله 400 m وقطره الداخلي 150 mm. استخدم معامل احتكاك دارسي f = 0,018 و g = 9,81 m/s². أوجد هبوط الضغط Δp على امتداد الأنبوب بالـ kPa.

V = 1,1 m/sL = 400 mD = 150 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
6.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتصعبة
K = 5Δz = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0254× كوع (K = 0,3)

خزانان مفتوحان يصل بينهما أنبوب طوله 150 m وقطره الداخلي 150 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,025. الفواقد الثانوية هي: مدخل حاد الحافة (K = 0,5)، و 4 أكواع (K = 0,3 لكل منها)، وصمام (K = 5) والمخرج إلى الخزان السفلي (K = 1,0). استخدم g = 9,81 m/s². ما فرق منسوب الماء Δz بين الخزانين الذي يعطي معدل تدفق 60 L/s؟

Q = 60 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
7.المضخات وقدرة المضخاتمتوسطة
PQ = 15 L/sH = 16 m

في اختبار، تدفع مضخة 15 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) ضد سمت 16 m بينما يأخذ عمودها 3,6 kW. استخدم g = 9,81 m/s². أوجد كفاءة المضخة η بالنسبة المئوية.

Q = 15 L/sH = 16 mPshaft = 3,6 kWg = 9,81 m/s²
η = %
8.المضخات وقدرة المضخاتصعبة
150 kPa (مقيس)PQ = 50 L/sΔz = 9 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 8

مضخة تنقل 50 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) من خزان سفلي مفتوح إلى خزان علوي سطح مائه أعلى بـ 9 m. طول الأنبوب 100 m وقطره الداخلي 150 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,015؛ ومجموع معاملات الفواقد الثانوية ΣK = 8 (بما فيها المدخل والمخرج). استخدم g = 9,81 m/s². الخزان العلوي مغلق والهواء فوق مائه عند ضغط مقيس 150 kPa. أوجد السمت H الذي يجب أن تضيفه المضخة.

Q = 50 L/sΔz = 9 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 8ptank = 150 kPa
H = m
9.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)متوسطة
b = 1 my = 1,9 mn = 0,03, S = 0,0015

قناة مستطيلة تربة مبطّنة بالعشب عرضها 1 m. يجري الماء جريانًا منتظمًا بعمق 1,9 m. معامل مانينغ n = 0,03 وميل القاع S = 0,0015. أوجد معدل التدفق Q بالـ m³/s.

b = 1 my = 1,9 mn = 0,03S = 0,0015
Q = m³/s
10.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)صعبة
b = 2 my = 1,1 mn = 0,014, Q = 3,2 m³/s

قناة مستطيلة خرسانة غير مشطّبة عرضها 2 m يجب أن تنقل 3,2 m³/s بجريان منتظم عند عمق 1,1 m. معامل مانينغ n = 0,014. أوجد ميل القاع المطلوب S (بالـ m/m).

Q = 3,2 m³/sb = 2 my = 1,1 mn = 0,014
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
بوابةd = 3 mH = 2,5 mF

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 = 77,7 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 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
بوابةd = 2 mH = 2 mF

القوة المحصّلة

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3·3 = 77,7 kN

الإجابة

F = 77,7 kN
3.الاستمرارية وبرنولي

الإجابة: p2 = 298,3 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 = 1,25·(200/100)² = 5 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1,25² − 5²)/1000 = −11,72 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 310 + (−11,72) = 298,3 kPa

الإجابة

p2 = 298,3 kPa
4.الاستمرارية وبرنولي

الإجابة: p2 = 185 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 = 2,75·(200/100)² = 11 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2,75² − 11²)/1000 = −56,72 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·9/1000 = 88,29 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 330 + (−56,72) − 88,29 = 185 kPa

الإجابة

p2 = 185 kPa
5.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

الإجابة: Δp = 29,04 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 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.

فاقد السمت

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(400/0,15)·1,1²/(2·9,81) = 2,96 m

هبوط الضغط

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

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·2,96 = 29040 Pa = 29,04 kPa

الإجابة

Δp = 29,04 kPa
6.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

الإجابة: Δz = 19,21 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 المتجهة

V = Q/A = 0,06/0,01767 = 3,395 m/s
V²/(2g) = 0,5876 m

معاملات الفاقد

f·L/D = 0,025·150/0,15 = 25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

فاقد السمت الكلي

hf = 25·0,5876 = 14,69 m
hm = 7,7·0,5876 = 4,524 m
Δz = hf + hm = 19,21 m

الإجابة

Δz = 19,21 m
7.المضخات وقدرة المضخات

الإجابة: η = 65,4 %

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 = 1000·9,81·0,015·16 = 2,354 kW

الكفاءة

η = Ph/Pshaft = 2,354/3,6 = 65,4%

الإجابة

η = 65,4%
8.المضخات وقدرة المضخات

الإجابة: H = 31,64 m

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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

فواقد السمت

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 8)·0,408 = 7,345 m

سمت الضغط

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9,81) = 15,29 m

سمت المضخة

السطحان ساكنان عمليًا، لذا لا يوجد حدّ لسمت السرعة.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 9 + 15,29 + 7,345 = 31,64 m

الإجابة

H = 31,64 m
9.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)

الإجابة: Q = 1,322 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·y = 1·1,9 = 1,9 m²
P = b + 2y = 1 + 2·1,9 = 4,8 m
R = A/P = 0,3958 m

السرعة المتجهة

V = (1/0,03)·0,39582/3·0,00151/2 = 0,696 m/s

معدّل التدفّق

Q = A·V = 1,9·0,696 = 1,322 m³/s

الإجابة

Q = 1,322 m³/s
10.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)

الإجابة: S = 0,0009821 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.

الهندسة

A = b·y = 2·1,1 = 2,2 m²
P = b + 2y = 2 + 2·1,1 = 4,2 m
R = A/P = 0,5238 m

حلّ معادلة مانينغ لإيجاد S

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,014·3,2/(2,2·0,6498) = 0,03134
S = 0,03134² = 0,0009821

الإجابة

S = 0,0009821

هذا انخفاض قدره 0,9821 m لكل كيلومتر.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering