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 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 1 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

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

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

d = 2 mH = 3 mb = 2 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.Continuidad y BernoulliMedia
12d1​ = 150 mm, p1​ = 170 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

El agua circula por una tubería horizontal que se estrecha de 150 mm a 50 mm. En el tramo ancho la presión es 170 kPa y la velocidad 1,25 m/s. Sin pérdidas, halla la presión p2 en el tramo estrecho.

d1 = 150 mmd2 = 50 mmp1 = 170 kPav1 = 1,25 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
4.Continuidad y BernoulliDifícil
C213 m1 md = 50 mmQ = ?

Una manguera de 50 mm de diámetro interior saca agua por sifón de un depósito abierto. El punto más alto C de la manguera está 3 m por encima de la superficie del agua, y la salida (abierta al aire) está 1 m por debajo de la superficie del agua. Desprecia las pérdidas y toma g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q.

d = 50 mmzC = +3 mz2 = −1 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
5.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 100 L/sD = 200 mmL = 500 mf = 0,018

Agua circula a razón de 100 L/s por una tubería de 500 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,018 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 100 L/sL = 500 mD = 200 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
6.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 0,2Δz = 15 mL = 200 m, D = 300 mm, f = 0,023× 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 = 0,02. La superficie libre del depósito superior está 15 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 = 0,2) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 15 mL = 200 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
7.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 10 L/sH = 26 m

En un ensayo, una bomba impulsa 10 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 26 m mientras su eje absorbe 3,3 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 10 L/sH = 26 mPshaft = 3,3 kWg = 9,81 m/s²
η = %
8.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 80 L/sΔz = 6 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 6 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 250 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,018; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 6 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 65 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 80 L/sΔz = 6 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 6η = 65%
Pshaft = kW
9.Flujo en canales abiertos (Manning)Media
b = 5,5 my = 0,5 mn = 0,012, S = 0,0015

Un canal rectangular de hormigón fratasado mide 5,5 m de anchura. El agua circula en régimen uniforme con un calado de 0,5 m. n de Manning = 0,012 y la pendiente del fondo es S = 0,0015. Halla el caudal Q en m³/s.

b = 5,5 my = 0,5 mn = 0,012S = 0,0015
Q = m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)Difícil
b = 4,5 my = 0,9 m1,5 : 1n = 0,012, Q = 9,6 m³/s

Un canal trapecial de hormigón fratasado con una anchura de fondo de 4,5 m y taludes de 1,5:1 (horizontal:vertical) debe transportar 9,6 m³/s en régimen uniforme con un calado de 0,9 m. n de Manning = 0,012. Halla la pendiente del fondo necesaria S (en m/m).

Q = 9,6 m³/sb = 4,5 my = 0,9 mz = 1,5n = 0,012
S = m/m

3Disoluciones

1.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 39,24 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 + 2/2 = 2 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
compuertad = 1 mH = 2 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·2 = 39,24 kN

Respuesta

F = 39,24 kN
2.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 259,6 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 + 3/2 = 3,5 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
compuertad = 2 mH = 3 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·3,5·6 = 259,6 kN

Respuesta

F = 259,6 kN
3.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: p2 = 107,5 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·(150/50)² = 11,25 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1,25² − 11,25²)/1000 = −62,5 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 170 + (−62,5) = 107,5 kPa

Respuesta

p2 = 107,5 kPa
4.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: Q = 8,697 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·1) = √(2·9,81·1) = 4,429 m/s

Caudal

Q = A·v = 0,001963·4,429 = 0,008697 m³/s = 8,697 L/s

Respuesta

Q = 8,697 L/s
5.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 23,24 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 = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 3,183²/(2·9,81) = 0,5164 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(500/0,2)·3,183²/(2·9,81) = 23,24 m

Respuesta

hf = 23,24 m
6.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 303,8 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 = 0,02·200/0,3 = 13,33
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,6

Ecuación de la energía

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

15 = (13,33 + 2,6)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·15/15,93) = 4,298 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,298·0,07069 = 0,3038 m³/s = 303,8 L/s

Respuesta

Q = 303,8 L/s
7.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 77,29 %

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 = 1000·9,81·0,01·26 = 2,551 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 2,551/3,3 = 77,29%

Respuesta

η = 77,29%
8.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 11,76 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (21,6 + 6)·0,1354 = 3,736 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 6 + 3,736 = 9,736 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·9,736/0,65 = 11,76 kW

Respuesta

Pshaft = 11,76 kW
9.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: Q = 5,002 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 = 5,5·0,5 = 2,75 m²
P = b + 2y = 5,5 + 2·0,5 = 6,5 m
R = A/P = 0,4231 m

Velocidad

V = (1/0,012)·0,42312/3·0,00151/2 = 1,819 m/s

Caudal

Q = A·V = 2,75·1,819 = 5,002 m³/s

Respuesta

Q = 5,002 m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: S = 0,0008009 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 = (4,5 + 1,5·0,9)·0,9 = 5,265 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·0,9·√(1 + 1,5²) = 7,745 m
R = A/P = 0,6798 m

Despeja S de Manning

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,012·9,6/(5,265·0,7731) = 0,0283
S = 0,0283² = 0,0008009

Respuesta

S = 0,0008009

Eso supone un desnivel de 0,8009 m por kilómetro.

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