द्रवचालित इंजीनियरिंग: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 10 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

द्रवस्थैतिक बल

गहराई पर दाब: p = ρgh
ऊर्ध्वाधर दीवार पर बल: F = ρg·h_c·A
दाब केंद्र: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
आयत: I_c = bH³/12

सांतत्य और बर्नूली

सांतत्य: A₁v₁ = A₂v₂
बर्नूली: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
प्रवाह दर: Q = A·v
वृत्त का क्षेत्रफल: A = πd²/4

पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

रेनॉल्ड्स संख्या: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
प्रवाह व्यवस्था: Re ≈ 2000 से नीचे स्तरीय, Re ≈ 4000 से ऊपर विक्षुब्ध
औसत वेग: V = Q/A, A = π·D²/4
डार्सी–वाइसबाख: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
लघु हानियाँ: h_m = ΣK·V²/(2g)
K के सामान्य मान: प्रवेश 0.5, निकास 1.0, 90° मोड़ ≈ 0.3
दाब पात: Δp = ρ·g·h_f
दो खुले जलाशय: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
मुक्त निकास: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

पंप और पंप शक्ति

द्रवीय शक्ति: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
शाफ़्ट शक्ति: P_shaft = P_h/η_pump
विद्युत शक्ति: P_el = P_shaft/η_motor
पंप शीर्ष: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
तंत्र हानियाँ: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

मैनिंग समीकरण: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
प्रवाह दर: Q = A·V
द्रवीय त्रिज्या: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
आयत: A = b·y, P = b + 2y
समलंब (पार्श्व ढाल z:1): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
वृत्ताकार पाइप, पूरा या आधा भरा: R = D/4
आवश्यक ढाल: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

2अभ्यास प्रश्न

1.द्रवस्थैतिक बलमध्यम

3 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 0.5 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 0.5 mH = 2 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

2.द्रवस्थैतिक बलकठिन

3 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 1 m नीचे है। सतह के नीचे दाब केंद्र की गहराई y_cp ज्ञात कीजिए।

d = 1 mH = 1.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

3.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक बड़ी खुली टंकी से 30 mm व्यास वाले तीक्ष्ण-धार छिद्र (ऑरिफ़िस) से निकलता है। जल स्तर छिद्र से 2.5 m ऊपर बनाए रखा जाता है और निस्सरण गुणांक 0.65 है। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए। g = 9.81 m/s² लें।

d = 30 mmh = 2.5 mC_d = 0.65g = 9.81 m/s²

Q = L/s

4.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर (प्रवेश 250 mm, कंठ 125 mm) पानी ले जाता है। प्रवेश और कंठ के बीच जुड़ा पारे का U-नली मैनोमीटर 320 mm का स्तर अंतर दिखाता है। निस्सरण गुणांक 0.98 है। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए। पानी के लिए ρ = 1000 kg/m³, पारे के लिए 13 600 kg/m³ और g = 9.81 m/s² लें।

d₁ = 250 mmd₂ = 125 mmΔh = 320 mmC_d = 0.98ρ_Hg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²

Q = L/s

5.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल 50 mm आंतरिक व्यास वाले 400 m लंबे पाइप से 1.2 m/s के औसत वेग से बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि h_f ज्ञात कीजिए।

V = 1.2 m/sL = 400 mD = 50 mmf = 0.02g = 9.81 m/s²

h_f = m

6.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

दो खुले जलाशय 100 m लंबे, 100 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 वाले पाइप से जुड़े हैं। ऊपरी जलाशय की जल सतह निचले जलाशय की सतह से 17 m ऊपर है। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 2 मोड़ (हर एक K = 0.3), एक वाल्व (K = 10) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। प्रवाह दर Q L/s में ज्ञात कीजिए।

Δz = 17 mL = 100 mD = 100 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1.0

Q = L/s

7.पंप और पंप शक्तिमध्यम

एक पंप 20 m शीर्ष के विरुद्ध 10 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 80% है और उसे चलाने वाली विद्युत मोटर की दक्षता 92% है। g = 9.81 m/s² लें। मोटर द्वारा ली गई विद्युत शक्ति P_el kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 10 L/sH = 20 mη_pump = 80%η_motor = 92%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

8.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 75 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 17 m ऊँची है। पाइप 150 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 200 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 4 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप दक्षता 70% है। शाफ़्ट शक्ति P_shaft kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 75 L/sΔz = 17 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.018ΣK = 4η = 70%

P_shaft = kW

9.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)मध्यम

एक समलंबाकार साफ़ मिट्टी वाहिका की तल चौड़ाई 1.5 m और पार्श्व ढाल 1.5:1 (क्षैतिज:ऊर्ध्वाधर) है। जल 0.8 m गहराई पर एकसमान रूप से बहता है। मैनिंग n = 0.022 और तल ढाल S = 0.002 है। प्रवाह दर Q m³/s में ज्ञात कीजिए।

b = 1.5 my = 0.8 mz = 1.5n = 0.022S = 0.002

Q = m³/s

10.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)कठिन

200 mm आंतरिक व्यास (मैनिंग n = 0.013) वाले एक कंक्रीट सीवर को ठीक पूरा भरा बहते समय 0.6 m/s का स्व-सफ़ाई वेग पाना है। न्यूनतम ढाल S (m/m में) ज्ञात कीजिए।

D = 200 mmn = 0.013V = 0.6 m/s

S = m/m

3विलयन

1.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 88.29 kN

समतल सतह पर द्रवस्थैतिक बल: F = ρ·g·y_c·A। यह दाब केंद्र y_cp = y_c + I_c/(y_cA) पर कार्य करता है, जो हमेशा केंद्रक के नीचे होता है।

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 0.5 + 2/2 = 1.5 m

A = H·b = 2·3 = 6 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·1.5·6 = 88.29 kN

उत्तर

F = 88.29 kN

2.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: y_cp = 1.857 m

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 1 + 1.5/2 = 1.75 m

A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·1.75·4.5 = 77.25 kN

दाब केंद्र

दाब गहराई के साथ बढ़ता है, इसलिए परिणामी केंद्रक के नीचे कार्य करता है।

I_c = b·H³/12 = 3·1.5³/12 = 0.8438 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 1.75 + 0.8438/(1.75·4.5) = 1.857 m

उत्तर

y_cp = 1.857 m

3.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 3.218 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.

आदर्श जेट वेग

√(2gh) = √(2·9.81·2.5) = 7.004 m/s

वास्तविक प्रवाह दर

निस्सरण गुणांक जेट के संकुचन और किनारे पर घर्षण को ध्यान में रखता है।

Q = C_d·A·√(2gh) = 0.65·0.0007069·7.004 = 0.003218 m³/s = 3.218 L/s

उत्तर

Q = 3.218 L/s

4.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 110.5 L/s

मैनोमीटर से दाबांतर

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.32 = 39554 Pa

कंठ वेग

सांतत्य और बर्नूली मिलकर आदर्श कंठ वेग देते हैं।

β = 125/250 = 0.5

v₂ = √(2·39554/(1000·(1 − 0.0625))) = 9.186 m/s

वास्तविक प्रवाह दर

Q = C_d·A₂·v₂ = 0.98·0.01227·9.186 = 0.1105 m³/s = 110.5 L/s

उत्तर

Q = 110.5 L/s

5.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: h_f = 11.74 m

पाइप प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ स्तरीय प्रवाह (Re लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है। पाइप के अनुदिश घर्षण से डार्सी–वाइसबाख शीर्ष हानि h_f = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ h_m = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = h_f + h_m देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।

वेग शीर्ष

V²/(2g) = 1.2²/(2·9.81) = 0.07339 m

डार्सी–वाइसबाख

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(400/0.05)·1.2²/(2·9.81) = 11.74 m

उत्तर

h_f = 11.74 m

6.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Q = 27.55 L/s

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·100/0.1 = 15

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 10 + 1.0 = 12.1

ऊर्जा समीकरण

दोनों सतहें वायु के लिए खुली हैं और लगभग विराम में हैं, इसलिए पूरा Δz पाइप में खो जाता है।

17 = (15 + 12.1)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·17/27.1) = 3.508 m/s

प्रवाह दर

Q = V·π·D²/4 = 3.508·0.007854 = 0.02755 m³/s = 27.55 L/s

उत्तर

Q = 27.55 L/s

7.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_el = 2.666 kW

पंप शक्ति: जल को दी गई शक्ति द्रवीय शक्ति P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp है। शाफ़्ट को अधिक देना पड़ता है क्योंकि पंप में कुछ हानि होती है: P_shaft = P_h/η_pump, और मोटर P_el = P_shaft/η_motor लेती है। पंप शीर्ष H ऊर्जा समीकरण से मिलता है: स्थैतिक उठान + दाब शीर्ष + सभी घर्षण और लघु हानियाँ।

द्रवीय शक्ति

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.01·20 = 1.962 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = 1.962/0.8 = 2.453 kW

विद्युत शक्ति

P_el = 2.453/0.92 = 2.666 kW

उत्तर

P_el = 2.666 kW

8.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_shaft = 23.21 kW

वेग

V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s

V²/(2g) = 0.2905 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (13.5 + 4)·0.2905 = 5.083 m

पंप शीर्ष

H = Δz + h_L = 17 + 5.083 = 22.08 m

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.075·22.08/0.7 = 23.21 kW

उत्तर

P_shaft = 23.21 kW

9.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

उत्तर: Q = 2.739 m³/s

मैनिंग समीकरण (SI): खुली वाहिका में एकसमान प्रवाह के लिए V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 और Q = A·V, जहाँ n खुरदरापन गुणांक, S तल ढाल (m/m) और R = A/P द्रवीय त्रिज्या है: प्रवाह क्षेत्रफल बटा आर्द्र परिमाप। P में केवल जल के संपर्क वाली सीमा गिनी जाती है, मुक्त सतह नहीं। आयत: A = b·y, P = b + 2y। z:1 (क्षैतिज:ऊर्ध्वाधर) पार्श्व ढाल वाला समलंब: A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)। पूरे या आधे भरे बहते वृत्ताकार पाइप के लिए R = D/4।

ज्यामिति

A = (b + z·y)·y = (1.5 + 1.5·0.8)·0.8 = 2.16 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 1.5 + 2·0.8·√(1 + 1.5²) = 4.384 m

R = A/P = 0.4927 m

वेग

V = (1/0.022)·0.4927^2/3·0.002^1/2 = 1.268 m/s

प्रवाह दर

Q = A·V = 2.16·1.268 = 2.739 m³/s

उत्तर

Q = 2.739 m³/s

10.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

उत्तर: S = 0.003303 m/m

द्रवीय त्रिज्या

R = D/4 = 0.2/4 = 0.05 m

S के लिए मैनिंग हल करें

S = (n·V/R^2/3)² = (0.013·0.6/0.1357)² = 0.003303

उत्तर

S = 0.003303

यह प्रति किलोमीटर 3.303 m की गिरावट है।

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