Ingeniería hidráulica: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 10 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Fuerza hidrostática

Presión a una profundidad
p = ρgh
Fuerza sobre una pared vertical
F = ρg·hc·A
Centro de presiones
yp = yc + Ic/(ycA)
Rectángulo
Ic = bH³/12

Continuidad y Bernoulli

Continuidad
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Caudal
Q = A·v
Área del círculo
A = πd²/4

Fricción en tuberías y pérdida de carga

Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régimen de flujo
laminar por debajo de Re ≈ 2000, turbulento por encima de Re ≈ 4000
Velocidad media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pérdidas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, salida 1,0, codo de 90° ≈ 0,3
Caída de presión
Δp = ρ·g·hf
Dos depósitos abiertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Salida libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas y potencia de bombeo

Potencia hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potencia en el eje
Pshaft = Ph/ηpump
Potencia eléctrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura de la bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pérdidas del sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Flujo en canales abiertos (Manning)

Ecuación de Manning
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Caudal
Q = A·V
Radio hidráulico
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rectángulo
A = b·y, P = b + 2y
Trapecio (talud z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Tubería circular, llena o a media sección
R = D/4
Pendiente necesaria
S = (n·Q/(A·R2/3))²

2Problemas de práctica

1.Fuerza hidrostáticaMedia
compuertad = 3 mH = 2,5 m

Una compuerta rectangular vertical de 1 m de ancho está en la pared de un depósito de agua, con su borde superior a 3 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 3 mH = 2,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
2.Fuerza hidrostáticaDifícil
compuertad = 1,5 mH = 1 m

Una compuerta rectangular vertical de 3 m de ancho está en la pared de un depósito de agua de mar, con su borde superior a 1,5 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 1,5 mH = 1 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.Continuidad y BernoulliMedia
12d1​ = 200 mm, p1​ = ?d2​ = 150 mm, p2​ = 100 kPa

Por una tubería horizontal que se estrecha de 200 mm a 150 mm circulan 18 L/s de agua. La presión en la sección estrecha es 100 kPa. Despreciando las pérdidas, halla la presión p1 en la sección ancha.

Q = 18 L/sd1 = 200 mmd2 = 150 mmp2 = 100 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
4.Continuidad y BernoulliDifícil
12d1​ = 75 mm, p1​ = 300 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 3 m

El agua sube por una tubería que se estrecha de 75 mm a 50 mm mientras asciende 3 m. En la sección 1 la presión es 300 kPa y la velocidad 0,5 m/s. Sin pérdidas, halla la presión p2 en la sección 2.

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 300 kPav1 = 0,5 m/sΔz = 3 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 25 L/sD = 200 mmL = 1000 mf = 0,015

Agua circula a razón de 25 L/s por una tubería de 1000 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,015 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 25 L/sL = 1000 mD = 200 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
6.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,0182× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 100 m de longitud, 200 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 10) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué diferencia de nivel de agua Δz entre los depósitos da un caudal de 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
7.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 10 L/sH = 44 m

En un ensayo, una bomba impulsa 10 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 44 m mientras su eje absorbe 6,2 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 10 L/sH = 44 mPshaft = 6,2 kWg = 9,81 m/s²
η = %
8.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 5 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,022, ΣK = 4

Una bomba impulsa 120 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 5 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 4 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 70 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 120 L/sΔz = 5 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 4η = 70%
Pshaft = kW
9.Flujo en canales abiertos (Manning)Media
b = 3,5 my = 1,9 mn = 0,012, S = 0,003

Un canal rectangular de hormigón fratasado mide 3,5 m de anchura. El agua circula en régimen uniforme con un calado de 1,9 m. n de Manning = 0,012 y la pendiente del fondo es S = 0,003. Halla el caudal Q en m³/s.

b = 3,5 my = 1,9 mn = 0,012S = 0,003
Q = m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)Difícil
b = 4 my = 0,9 m1 : 1n = 0,014, Q = 15 m³/s

Un canal trapecial de hormigón sin acabado con una anchura de fondo de 4 m y taludes de 1:1 (horizontal:vertical) debe transportar 15 m³/s en régimen uniforme con un calado de 0,9 m. n de Manning = 0,014. Halla la pendiente del fondo necesaria S (en m/m).

Q = 15 m³/sb = 4 my = 0,9 mz = 1n = 0,014
S = m/m

3Disoluciones

1.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 104,2 kN

Fuerza hidrostática sobre una superficie plana: F = ρ·g·yc·A. Actúa en el centro de presiones, ycp = yc + Ic/(ycA), que siempre está por debajo del centroide.

Profundidad del centroide y área

yc = d + H/2 = 3 + 2,5/2 = 4,25 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
compuertad = 3 mH = 2,5 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,25·2,5 = 104,2 kN

Respuesta

F = 104,2 kN
2.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 60,33 kN

Fuerza hidrostática sobre una superficie plana: F = ρ·g·yc·A. Actúa en el centro de presiones, ycp = yc + Ic/(ycA), que siempre está por debajo del centroide.

Profundidad del centroide y área

yc = d + H/2 = 1,5 + 1/2 = 2 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
compuertad = 1,5 mH = 1 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2·3 = 60,33 kN

Respuesta

F = 60,33 kN
3.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: p1 = 100,4 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.

Velocidades

v1 = Q/A1 = 0,018/0,03142 = 0,573 m/s
v2 = Q/A2 = 0,018/0,01767 = 1,019 m/s

Bernoulli

p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 100 + ½·1000·(1,019² − 0,573²)/1000 = 100 + 0,3546 = 100,4 kPa

Respuesta

p1 = 100,4 kPa
4.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: p2 = 270,1 kPa

Continuidad y Bernoulli: en un fluido incompresible el caudal es el mismo en todas las secciones, Q = A₁v₁ = A₂v₂. A lo largo de una línea de corriente sin pérdidas, p + ½ρv² + ρgz es constante, así que donde el fluido va más rápido o más alto su presión es menor.

Continuidad y Bernoulli

Trabaja en Pa y después divide entre 1000 para obtener kPa.

v2 = v1·(d1/d2)² = 0,5·(75/50)² = 1,125 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0,5² − 1,125²)/1000 = −0,5078 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·3/1000 = 29,43 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 300 + (−0,5078) − 29,43 = 270,1 kPa

Respuesta

p2 = 270,1 kPa
5.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 2,421 m

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Velocidad media

A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,025/0,03142 = 0,7958 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 0,7958²/(2·9,81) = 0,03228 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(1000/0,2)·0,7958²/(2·9,81) = 2,421 m

Respuesta

hf = 2,421 m
6.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 6,974 m

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Velocidad

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

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·100/0,2 = 9
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Pérdida de carga total

hf = 9·0,3305 = 2,975 m
hm = 12,1·0,3305 = 3,999 m
Δz = hf + hm = 6,974 m

Respuesta

Δz = 6,974 m
7.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 69,62 %

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,01·44 = 4,316 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 4,316/6,2 = 69,62%

Respuesta

η = 69,62%
8.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 23,98 kW

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Velocidad

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (26,4 + 4)·0,3046 = 9,26 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 5 + 9,26 = 14,26 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·14,26/0,7 = 23,98 kW

Respuesta

Pshaft = 23,98 kW
9.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: Q = 28,52 m³/s

Ecuación de Manning (SI): para flujo uniforme en un canal abierto V = (1/n)·R2/3·S1/2 y Q = A·V, con n el coeficiente de rugosidad, S la pendiente del fondo (m/m) y R = A/P el radio hidráulico: área de la sección mojada dividida entre el perímetro mojado. En P solo cuenta el contorno en contacto con el agua, no la superficie libre. Rectángulo: A = b·y, P = b + 2y. Trapecio con taludes z:1 (horizontal:vertical): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Una tubería circular llena o a media sección tiene R = D/4.

Geometría

A = b·y = 3,5·1,9 = 6,65 m²
P = b + 2y = 3,5 + 2·1,9 = 7,3 m
R = A/P = 0,911 m

Velocidad

V = (1/0,012)·0,9112/3·0,0031/2 = 4,289 m/s

Caudal

Q = A·V = 6,65·4,289 = 28,52 m³/s

Respuesta

Q = 28,52 m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: S = 0,003839 m/m

Ecuación de Manning (SI): para flujo uniforme en un canal abierto V = (1/n)·R2/3·S1/2 y Q = A·V, con n el coeficiente de rugosidad, S la pendiente del fondo (m/m) y R = A/P el radio hidráulico: área de la sección mojada dividida entre el perímetro mojado. En P solo cuenta el contorno en contacto con el agua, no la superficie libre. Rectángulo: A = b·y, P = b + 2y. Trapecio con taludes z:1 (horizontal:vertical): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Una tubería circular llena o a media sección tiene R = D/4.

Geometría

A = (b + z·y)·y = (4 + 1·0,9)·0,9 = 4,41 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·0,9·√(1 + 1²) = 6,546 m
R = A/P = 0,6737 m

Despeja S de Manning

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,014·15/(4,41·0,7685) = 0,06196
S = 0,06196² = 0,003839

Respuesta

S = 0,003839

Eso supone un desnivel de 3,839 m por kilómetro.

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