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 = 1,5 mH = 1,5 m

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

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

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

d = 2,5 mH = 2,5 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.Continuidad y BernoulliMedia
12d1​ = 75 mm, p1​ = 370 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?

El agua circula por una tubería horizontal que se estrecha de 75 mm a 40 mm. En el tramo ancho la presión es 370 kPa y la velocidad 2 m/s. Sin pérdidas, halla la presión p2 en el tramo estrecho.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 370 kPav1 = 2 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
4.Continuidad y BernoulliDifícil
C211,5 m2 md = 40 mmQ = ?

Una manguera de 40 mm de diámetro interior saca agua por sifón de un depósito abierto. El punto más alto C de la manguera está 1,5 m por encima de la superficie del agua, y la salida (abierta al aire) está 2 m por debajo de la superficie del agua. Desprecia las pérdidas y toma g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q.

d = 40 mmzC = +1,5 mz2 = −2 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
5.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 25 L/sD = 250 mmL = 200 mf = 0,015

Agua circula a razón de 25 L/s por una tubería de 200 m de longitud y 250 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 = 200 mD = 250 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
6.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 150 m, D = 300 mm, f = 0,0223× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 300 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,022. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 3 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 2) 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 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
7.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 20 L/sH = 64 m

Una bomba con un rendimiento del 72 % impulsa 20 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 64 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 20 L/sH = 64 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
8.Bombas y potencia de bombeoDifícil
400 kPa (manométrica)PQ = 60 L/sΔz = 17 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 8

Una bomba impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 17 m más alta. La tubería mide 150 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,02; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El depósito superior está cerrado y el aire sobre el agua está a una presión manométrica de 400 kPa. Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 60 L/sΔz = 17 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 8ptank = 400 kPa
H = m
9.Flujo en canales abiertos (Manning)Media
D = 1200 mmn = 0,013, S = 0,005

Un colector de pluviales de hormigón de 1200 mm de diámetro interior funciona a media sección. n de Manning = 0,013 y la pendiente es S = 0,005. Halla el caudal Q en m³/s.

D = 1200 mmn = 0,013S = 0,005
Q = m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)Difícil
b = 3 my = 1,2 mn = 0,012, Q = 5,1 m³/s

Un canal rectangular de hormigón fratasado de 3 m de anchura debe transportar 5,1 m³/s en régimen uniforme con un calado de 1,2 m. n de Manning = 0,012. Halla la pendiente del fondo necesaria S (en m/m).

Q = 5,1 m³/sb = 3 my = 1,2 mn = 0,012
S = m/m

3Disoluciones

1.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 66,22 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 + 1,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
compuertad = 1,5 mH = 1,5 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·3 = 66,22 kN

Respuesta

F = 66,22 kN
2.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 115,9 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 = 2,5 + 2,5/2 = 3,75 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
compuertad = 2,5 mH = 2,5 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·3,75·2,5 = 115,9 kN

Respuesta

F = 115,9 kN
3.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: p2 = 347,3 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 = 2·(75/40)² = 7,031 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2² − 7,031²)/1000 = −22,72 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 370 + (−22,72) = 347,3 kPa

Respuesta

p2 = 347,3 kPa
4.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: Q = 7,872 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.

Velocidad en la manguera

La superficie y la salida están abiertas al aire, así que los términos de presión se anulan.

v = √(2g·2) = √(2·9,81·2) = 6,264 m/s

Caudal

Q = A·v = 0,001257·6,264 = 0,007872 m³/s = 7,872 L/s

Respuesta

Q = 7,872 L/s
5.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 0,1586 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·0,25²/4 = 0,04909 m²
V = Q/A = 0,025/0,04909 = 0,5093 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 0,5093²/(2·9,81) = 0,01322 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(200/0,25)·0,5093²/(2·9,81) = 0,1586 m

Respuesta

hf = 0,1586 m
6.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 0,8836 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 = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,022·150/0,3 = 11
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Pérdida de carga total

hf = 11·0,05738 = 0,6312 m
hm = 4,4·0,05738 = 0,2525 m
Δz = hf + hm = 0,8836 m

Respuesta

Δz = 0,8836 m
7.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 17,44 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 = 1000·9,81·0,02·64 = 12,56 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 12,56/0,72 = 17,44 kW

Respuesta

Pshaft = 17,44 kW
8.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 62,05 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 8)·0,1859 = 4,276 m

Altura de presión

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están prácticamente en reposo, así que no hay término de altura de velocidad.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 17 + 40,77 + 4,276 = 62,05 m

Respuesta

H = 62,05 m
9.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: Q = 1,378 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 = 0,5655 m², R = D/4 = 0,3 m

Velocidad

V = (1/0,013)·0,32/3·0,0051/2 = 2,438 m/s

Caudal

Q = A·V = 0,5655·2,438 = 1,378 m³/s

Respuesta

Q = 1,378 m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: S = 0,0004962 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·y = 3·1,2 = 3,6 m²
P = b + 2y = 3 + 2·1,2 = 5,4 m
R = A/P = 0,6667 m

Despeja S de Manning

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,012·5,1/(3,6·0,7631) = 0,02228
S = 0,02228² = 0,0004962

Respuesta

S = 0,0004962

Eso supone un desnivel de 0,4962 m por kilómetro.

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