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 = 3 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 = 3 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
2.Fuerza hidrostáticaDifícil
compuertad = 0,5 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 0,5 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 0,5 mH = 2 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.Continuidad y BernoulliMedia
Q = ?d = 20 mm, Cd​ = 0,65h = 4 m

Un depósito grande y abierto se vacía por un orificio de arista viva de 20 mm de diámetro. El nivel del agua se mantiene 4 m por encima del orificio y el coeficiente de descarga es 0,65. Halla el caudal Q. Usa g = 9,81 m/s².

d = 20 mmh = 4 mCd = 0,65g = 9,81 m/s²
Q = L/s
4.Continuidad y BernoulliDifícil
12d1​ = 75 mm, p1​ = 150 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 150 kPa y la velocidad 2,75 m/s. Sin pérdidas, halla la presión p2 en la sección 2.

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 150 kPav1 = 2,75 m/sΔz = 3 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 75 L/sD = 250 mmL = 500 mf = 0,018

Agua circula a razón de 75 L/s por una tubería de 500 m de longitud y 250 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 = 75 L/sL = 500 mD = 250 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
6.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 150 m, D = 250 mm, f = 0,0182× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 250 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
7.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 15 L/sH = 30 m

En un ensayo, una bomba impulsa 15 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 30 m mientras su eje absorbe 6,3 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 15 L/sH = 30 mPshaft = 6,3 kWg = 9,81 m/s²
η = %
8.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 5 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 2,5

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 5 m más alta. La tubería mide 300 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 2,5 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 78 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 75 L/sΔz = 5 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 2,5η = 78%
Pshaft = kW
9.Flujo en canales abiertos (Manning)Media
b = 5,5 my = 2 m3 : 1n = 0,03, S = 0,0015

Un canal trapecial de tierra revestida de hierba tiene una anchura de fondo de 5,5 m y taludes de 3:1 (horizontal:vertical). El agua circula en régimen uniforme con un calado de 2 m. n de Manning = 0,03 y la pendiente del fondo es S = 0,0015. Halla el caudal Q en m³/s.

b = 5,5 my = 2 mz = 3n = 0,03S = 0,0015
Q = m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)Difícil
b = 4,5 my = 1 m1 : 1n = 0,012, Q = 12 m³/s

Un canal trapecial de hormigón fratasado con una anchura de fondo de 4,5 m y taludes de 1:1 (horizontal:vertical) debe transportar 12 m³/s en régimen uniforme con un calado de 1 m. n de Manning = 0,012. Halla la pendiente del fondo necesaria S (en m/m).

Q = 12 m³/sb = 4,5 my = 1 mz = 1n = 0,012
S = m/m

3Disoluciones

1.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 154,5 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 = 3·1,5 = 4,5 m²
compuertad = 2 mH = 3 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,5·4,5 = 154,5 kN

Respuesta

F = 154,5 kN
2.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 44,15 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 = 0,5 + 2/2 = 1,5 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
compuertad = 0,5 mH = 2 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,5·3 = 44,15 kN

Respuesta

F = 44,15 kN
3.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: Q = 1,809 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 ideal del chorro

√(2gh) = √(2·9,81·4) = 8,859 m/s

Caudal real

El coeficiente de descarga tiene en cuenta la contracción del chorro y el rozamiento en la arista.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0,65·0,0003142·8,859 = 0,001809 m³/s = 1,809 L/s

Respuesta

Q = 1,809 L/s
4.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: p2 = 105,2 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·(75/50)² = 6,188 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2,75² − 6,188²)/1000 = −15,36 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·3/1000 = 29,43 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 150 + (−15,36) − 29,43 = 105,2 kPa

Respuesta

p2 = 105,2 kPa
5.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 4,283 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 = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 1,528²/(2·9,81) = 0,119 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(500/0,25)·1,528²/(2·9,81) = 4,283 m

Respuesta

hf = 4,283 m
6.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 6,975 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·150/0,25 = 10,8
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Pérdida de carga total

hf = 10,8·0,3046 = 3,29 m
hm = 12,1·0,3046 = 3,686 m
Δz = hf + hm = 6,975 m

Respuesta

Δz = 6,975 m
7.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 70,07 %

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 = 1000·9,81·0,015·30 = 4,415 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 4,415/6,3 = 70,07%

Respuesta

η = 70,07%
8.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 11,57 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22,5 + 2,5)·0,2905 = 7,262 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 5 + 7,262 = 12,26 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·12,26/0,78 = 11,57 kW

Respuesta

Pshaft = 11,57 kW
9.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: Q = 34,77 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 + z·y)·y = (5,5 + 3·2)·2 = 23 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5,5 + 2·2·√(1 + 3²) = 18,15 m
R = A/P = 1,267 m

Velocidad

V = (1/0,03)·1,2672/3·0,00151/2 = 1,512 m/s

Caudal

Q = A·V = 23·1,512 = 34,77 m³/s

Respuesta

Q = 34,77 m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: S = 0,001005 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 + 1·1)·1 = 5,5 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·1·√(1 + 1²) = 7,328 m
R = A/P = 0,7505 m

Despeja S de Manning

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,012·12/(5,5·0,8259) = 0,0317
S = 0,0317² = 0,001005

Respuesta

S = 0,001005

Eso supone un desnivel de 1,005 m por kilómetro.

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