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 = 2 mH = 2 m

Una compuerta rectangular vertical de 1,5 m de ancho está en la pared de un depósito de agua, con su borde superior a 2 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 2 mH = 2 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
2.Fuerza hidrostáticaDifícil
compuertad = 4 mH = 2 m

Una compuerta rectangular vertical de 1 m de ancho está en la pared de un depósito de agua, con su borde superior a 4 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 4 mH = 2 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.Continuidad y BernoulliMedia
d1​ = 200 mmd2​ = 100 mm12p1​ − p2​ = 46 kPaQ = ?

Por un venturímetro horizontal con un diámetro de entrada de 200 mm y un diámetro de garganta de 100 mm circula agua. La presión en la entrada es 46 kPa mayor que en la garganta. Despreciando las pérdidas, halla el caudal Q.

d1 = 200 mmd2 = 100 mmp1 − p2 = 46 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
4.Continuidad y BernoulliDifícil
12d1​ = 150 mm, p1​ = 380 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?Δz = 9 m

El agua sube por una tubería que se estrecha de 150 mm a 75 mm mientras asciende 9 m. En la sección 1 la presión es 380 kPa y la velocidad 1,25 m/s. Sin pérdidas, halla la presión p2 en la sección 2.

d1 = 150 mmd2 = 75 mmp1 = 380 kPav1 = 1,25 m/sΔz = 9 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 0,9 m/sD = 200 mmL = 150 mf = 0,025

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 0,9 m/s por una tubería horizontal de 150 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,025 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 0,9 m/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
6.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = 19 mL = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0183× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 200 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,018. La superficie libre del depósito superior está 19 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 3 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. Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 19 mL = 200 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
7.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 15 L/sH = 62 m

Una bomba con un rendimiento del 80 % impulsa 15 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 62 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 15 L/sH = 62 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
8.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 11 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Una bomba impulsa 75 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 11 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 75 L/sΔz = 11 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 8
H = m
9.Flujo en canales abiertos (Manning)Media
D = 900 mmn = 0,013, S = 0,003

Un colector de pluviales de hormigón de 900 mm de diámetro interior funciona a media sección. n de Manning = 0,013 y la pendiente es S = 0,003. Halla el caudal Q en m³/s.

D = 900 mmn = 0,013S = 0,003
Q = m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)Difícil
b = 3,5 my = 1 m1 : 1n = 0,025, Q = 4,1 m³/s

Un canal trapecial de grava con una anchura de fondo de 3,5 m y taludes de 1:1 (horizontal:vertical) debe transportar 4,1 m³/s en régimen uniforme con un calado de 1 m. n de Manning = 0,025. Halla la pendiente del fondo necesaria S (en m/m).

Q = 4,1 m³/sb = 3,5 my = 1 mz = 1n = 0,025
S = m/m

3Disoluciones

1.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 88,29 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 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
compuertad = 2 mH = 2 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·3 = 88,29 kN

Respuesta

F = 88,29 kN
2.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 98,1 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
compuertad = 4 mH = 2 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5·2 = 98,1 kN

Respuesta

F = 98,1 kN
3.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: Q = 77,8 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.

Continuidad

v1 = v2·(100/200)² = 0,25·v2

Bernoulli entre la entrada y la garganta

La tubería es horizontal, así que solo cambian la presión y la velocidad.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·46000/(1000·(1 − 0,0625))) = 9,906 m/s
v1 = 2,477 m/s

Caudal

Q = A2·v2 = 0,007854·9,906 = 0,0778 m³/s = 77,8 L/s

Respuesta

Q = 77,8 L/s
4.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: p2 = 280 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 = 1,25·(150/75)² = 5 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1,25² − 5²)/1000 = −11,72 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·9/1000 = 88,29 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 380 + (−11,72) − 88,29 = 280 kPa

Respuesta

p2 = 280 kPa
5.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 7,594 kPa

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.

Pérdida de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(150/0,2)·0,9²/(2·9,81) = 0,7741 m

Caída de presión

La tubería es horizontal y la velocidad no cambia, así que la ecuación de la energía se reduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·0,7741 = 7594 Pa = 7,594 kPa

Respuesta

Δp = 7,594 kPa
6.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 276,3 L/s

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.

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·200/0,3 = 12
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Ecuación de la energía

Las dos superficies están abiertas al aire y prácticamente en reposo, así que todo Δz se pierde en la tubería.

19 = (12 + 12,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·19/24,4) = 3,909 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 3,909·0,07069 = 0,2763 m³/s = 276,3 L/s

Respuesta

Q = 276,3 L/s
7.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 11,4 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.

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,015·62 = 9,123 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 9,123/0,8 = 11,4 kW

Respuesta

Pshaft = 11,4 kW
8.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 12,67 m

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 = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (6 + 8)·0,119 = 1,666 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están abiertas y prácticamente en reposo, así que los términos de presión y velocidad se anulan.

H = Δz + hL = 11 + 1,666 = 12,67 m

Respuesta

H = 12,67 m
9.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: Q = 0,4958 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 = 0,3181 m², R = D/4 = 0,225 m

Velocidad

V = (1/0,013)·0,2252/3·0,0031/2 = 1,559 m/s

Caudal

Q = A·V = 0,3181·1,559 = 0,4958 m³/s

Respuesta

Q = 0,4958 m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: S = 0,0008175 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 = (3,5 + 1·1)·1 = 4,5 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 3,5 + 2·1·√(1 + 1²) = 6,328 m
R = A/P = 0,7111 m

Despeja S de Manning

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,025·4,1/(4,5·0,7967) = 0,02859
S = 0,02859² = 0,0008175

Respuesta

S = 0,0008175

Eso supone un desnivel de 0,8175 m por kilómetro.

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