Hydromechanik und Wasserbau: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 10 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Hydrostatische Kraft

Druck in der Tiefe
p = ρgh
Kraft auf eine senkrechte Wand
F = ρg·hc·A
Druckmittelpunkt
yp = yc + Ic/(ycA)
Rechteck
Ic = bH³/12

Kontinuität und Bernoulli

Kontinuität
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Volumenstrom
Q = A·v
Kreisfläche
A = πd²/4

Rohrreibung und Verlusthöhe

Reynolds-Zahl
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Strömungsform
laminar unter Re ≈ 2000, turbulent über Re ≈ 4000
Mittlere Geschwindigkeit
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Örtliche Verluste
hm = ΣK·V²/(2g)
Typische K-Werte
Einlauf 0,5, Auslauf 1,0, 90°-Krümmer ≈ 0,3
Druckverlust
Δp = ρ·g·hf
Zwei offene Behälter
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Freier Auslauf
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pumpen und Pumpenleistung

Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Wellenleistung
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrische Leistung
Pel = Pshaft/ηmotor
Förderhöhe
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Anlagenverluste
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Gerinneströmung (Manning)

Manning-Gleichung
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Volumenstrom
Q = A·V
Hydraulischer Radius
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rechteck
A = b·y, P = b + 2y
Trapez (Böschungsneigung z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Kreisrohr, voll oder halb gefüllt
R = D/4
Erforderliches Gefälle
S = (n·Q/(A·R2/3))²

2Übungsaufgaben

1.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 4 mH = 1 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 4 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 4 mH = 1 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
2.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 1 mH = 1 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, seine Oberkante liegt 1 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 1 mH = 1 mb = 2 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
3.Kontinuität und BernoulliMittel
v = ?p0​pp0​ − p = 10 kPaStaupunkt

Ein Prandtl-Rohr in einer Wasserleitung zeigt eine Differenz von 10 kPa zwischen Gesamtdruck und statischem Druck an. Bestimme die Wassergeschwindigkeit v an der Sondenspitze.

p0 − p = 10 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
4.Kontinuität und BernoulliSchwer
12d1​ = 75 mm, p1​ = 270 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?Δz = 8 m

Wasser fließt aufwärts durch ein Rohr, das sich von 75 mm auf 40 mm verengt und dabei um 8 m ansteigt. In Querschnitt 1 beträgt der Druck 270 kPa und die Geschwindigkeit 0,75 m/s. Bestimme ohne Verluste den Druck p2 in Querschnitt 2.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 270 kPav1 = 0,75 m/sΔz = 8 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,7 m/sD = 200 mmL = 300 mf = 0,018

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,7 m/s durch ein 300 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 1,7 m/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
6.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = 27 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0182× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 27 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 2) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 27 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
7.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 100 L/sH = 64 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 100 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 64 m, während ihre Welle 83,7 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 100 L/sH = 64 mPshaft = 83,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
8.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 80 L/sΔz = 14 mL = 400 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 5

Eine Pumpe fördert 80 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 14 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 400 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 5 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 75 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 80 L/sΔz = 14 mL = 400 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 5η = 75%
Pshaft = kW
9.Gerinneströmung (Manning)Mittel
D = 900 mmn = 0,013, S = 0,005

Ein Regenwasserkanal aus Beton mit einem Innendurchmesser von 900 mm ist halb gefüllt. Manning n = 0,013, und das Gefälle ist S = 0,005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

D = 900 mmn = 0,013S = 0,005
Q = m³/s
10.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 2,5 my = 1 mn = 0,015, Q = 6,2 m³/s

Ein 2,5 m breites Rechteckgerinne (Mauerwerk) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1 m 6,2 m³/s abführen. Manning n = 0,015. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 6,2 m³/sb = 2,5 my = 1 mn = 0,015
S = m/m

3Lösungen

1.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 66,22 kN

Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 4 + 1/2 = 4,5 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
Schützd = 4 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·1,5 = 66,22 kN

Antwort

F = 66,22 kN
2.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 1,556 m

Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 1 + 1/2 = 1,5 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Schützd = 1 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·1,5·2 = 37,08 kN

Druckmittelpunkt

Der Druck nimmt mit der Tiefe zu, daher greift die Resultierende unterhalb des Schwerpunkts an.

Ic = b·H³/12 = 2·1³/12 = 0,1667 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1,5 + 0,1667/(1,5·2) = 1,556 m

Antwort

ycp = 1,556 m
3.Kontinuität und Bernoulli

Antwort: v = 4,472 m/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.

Bernoulli bis zum Staupunkt

Die Strömung kommt an der Spitze zur Ruhe, ihre kinetische Energie erscheint also als zusätzlicher Druck.

p0 − p = ½ρv²
v = √(2·10000/1000) = 4,472 m/s

Antwort

v = 4,472 m/s
4.Kontinuität und Bernoulli

Antwort: p2 = 188,3 kPa

Kontinuität und Bernoulli: Bei einem inkompressiblen Fluid ist der Volumenstrom in jedem Querschnitt gleich, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Entlang einer Stromlinie ohne Verluste ist p + ½ρv² + ρgz konstant, daher ist der Druck dort niedriger, wo das Fluid schneller oder höher ist.

Kontinuität und Bernoulli

Rechne in Pa und teile dann durch 1000, um kPa zu erhalten.

v2 = v1·(d1/d2)² = 0,75·(75/40)² = 2,637 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0,75² − 2,637²)/1000 = −3,195 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·8/1000 = 78,48 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 270 + (−3,195) − 78,48 = 188,3 kPa

Antwort

p2 = 188,3 kPa
5.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 3,977 m

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,7²/(2·9,81) = 0,1473 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(300/0,2)·1,7²/(2·9,81) = 3,977 m

Antwort

hf = 3,977 m
6.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 172,4 L/s

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,018·150/0,2 = 13,5
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Energiegleichung

Beide Wasserspiegel sind offen zur Atmosphäre und praktisch in Ruhe, daher geht das gesamte Δz in der Rohrleitung verloren.

27 = (13,5 + 4,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·27/17,6) = 5,486 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 5,486·0,03142 = 0,1724 m³/s = 172,4 L/s

Antwort

Q = 172,4 L/s
7.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 75,01 %

Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.

Hydraulische Leistung

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,1·64 = 62,78 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 62,78/83,7 = 75,01%

Antwort

η = 75,01%
8.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 28,83 kW

Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (36 + 5)·0,3305 = 13,55 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 14 + 13,55 = 27,55 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·27,55/0,75 = 28,83 kW

Antwort

Pshaft = 28,83 kW
9.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 0,64 m³/s

Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.

Geometrie

A = 0,3181 m², R = D/4 = 0,225 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,013)·0,2252/3·0,0051/2 = 2,012 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 0,3181·2,012 = 0,64 m³/s

Antwort

Q = 0,64 m³/s
10.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,00303 m/m

Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.

Geometrie

A = b·y = 2,5·1 = 2,5 m²
P = b + 2y = 2,5 + 2·1 = 4,5 m
R = A/P = 0,5556 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,015·6,2/(2,5·0,6758) = 0,05505
S = 0,05505² = 0,00303

Antwort

S = 0,00303

Das ist ein Gefälle von 3,03 m pro Kilometer.

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