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 1.5 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

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

F = kN

2.द्रवस्थैतिक बलकठिन

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

d = 3 mH = 1 mb = 1.5 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

3.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक बड़ी खुली टंकी से 40 mm व्यास वाले तीक्ष्ण-धार छिद्र (ऑरिफ़िस) से निकलता है। जल स्तर छिद्र से 5.5 m ऊपर बनाए रखा जाता है और निस्सरण गुणांक 0.64 है। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए। g = 9.81 m/s² लें।

d = 40 mmh = 5.5 mC_d = 0.64g = 9.81 m/s²

Q = L/s

4.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

25 mm भीतरी व्यास वाला एक होज़ खुली टंकी से पानी साइफ़न करता है। होज़ का उच्चतम बिंदु C पानी की सतह से 2.5 m ऊपर है, और निकास (हवा में खुला) पानी की सतह से 1.5 m नीचे है। हानियों को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d = 25 mmz_C = +2.5 mz₂ = −1.5 mg = 9.81 m/s²

Q = L/s

5.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल (ρ = 1000 kg/m³) 75 mm आंतरिक व्यास वाले 150 m लंबे क्षैतिज पाइप से 2.2 m/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 और g = 9.81 m/s² लें। पाइप पर दाब पात Δp kPa में ज्ञात कीजिए।

V = 2.2 m/sL = 150 mD = 75 mmf = 0.015ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

6.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

दो खुले जलाशय 150 m लंबे, 150 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 वाले पाइप से जुड़े हैं। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 3 मोड़ (हर एक K = 0.3), एक वाल्व (K = 0.2) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। जलाशयों के बीच जल स्तर का कितना अंतर Δz, 40 L/s की प्रवाह दर देता है?

Q = 40 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 0.2K_exit = 1.0

Δz = m

7.पंप और पंप शक्तिमध्यम

82% दक्षता वाला एक पंप 48 m शीर्ष के विरुद्ध 10 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। g = 9.81 m/s² लें। आवश्यक शाफ़्ट शक्ति P_shaft kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 10 L/sH = 48 mη = 82%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

8.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 50 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 14 m ऊँची है। पाइप 100 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 150 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 3 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। ऊपरी टैंक बंद है और उसके जल के ऊपर की वायु 150 kPa के गेज दाब पर है। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 50 L/sΔz = 14 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.015ΣK = 3p_tank = 150 kPa

H = m

9.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)मध्यम

450 mm आंतरिक व्यास वाला एक कंक्रीट वर्षा-जल सीवर आधा भरा बहता है। मैनिंग n = 0.013 और ढाल S = 0.0008 है। प्रवाह दर Q m³/s में ज्ञात कीजिए।

D = 450 mmn = 0.013S = 0.0008

Q = m³/s

10.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)कठिन

4.5 m चौड़ी एक आयताकार साफ़ मिट्टी वाहिका को 1.4 m गहराई पर एकसमान प्रवाह में 18 m³/s वहन करना है। मैनिंग n = 0.022। आवश्यक तल ढाल S (m/m में) ज्ञात कीजिए।

Q = 18 m³/sb = 4.5 my = 1.4 mn = 0.022

S = m/m

3विलयन

1.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 99.33 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 = 1.5 + 1.5/2 = 2.25 m

A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·2.25·4.5 = 99.33 kN

उत्तर

F = 99.33 kN

2.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 64.89 kN

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 3 + 1/2 = 3.5 m

A = H·b = 1·1.5 = 1.5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1260·9.81·3.5·1.5 = 64.89 kN

उत्तर

F = 64.89 kN

3.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 8.355 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) = √(2·9.81·5.5) = 10.39 m/s

वास्तविक प्रवाह दर

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

Q = C_d·A·√(2gh) = 0.64·0.001257·10.39 = 0.008355 m³/s = 8.355 L/s

उत्तर

Q = 8.355 L/s

4.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 2.663 L/s

होज़ में वेग

सतह और निकास दोनों हवा में खुले हैं, इसलिए दाब पद कट जाते हैं।

v = √(2g·1.5) = √(2·9.81·1.5) = 5.425 m/s

प्रवाह दर

Q = A·v = 0.0004909·5.425 = 0.002663 m³/s = 2.663 L/s

उत्तर

Q = 2.663 L/s

5.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δp = 72.6 kPa

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।

शीर्ष हानि

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(150/0.075)·2.2²/(2·9.81) = 7.401 m

दाब पात

पाइप क्षैतिज है और वेग नहीं बदलता, इसलिए ऊर्जा समीकरण Δp = ρ·g·h_f बन जाता है।

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9.81·7.401 = 72600 Pa = 72.6 kPa

उत्तर

Δp = 72.6 kPa

6.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δz = 4.596 m

वेग

V = Q/A = 0.04/0.01767 = 2.264 m/s

V²/(2g) = 0.2611 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·150/0.15 = 15

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 0.2 + 1.0 = 2.6

कुल शीर्ष हानि

h_f = 15·0.2611 = 3.917 m

h_m = 2.6·0.2611 = 0.679 m

Δz = h_f + h_m = 4.596 m

उत्तर

Δz = 4.596 m

7.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_shaft = 5.742 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 = 1000·9.81·0.01·48 = 4.709 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = P_h/η = 4.709/0.82 = 5.742 kW

उत्तर

P_shaft = 5.742 kW

8.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 34.59 m

वेग

V = Q/A = 0.05/0.01767 = 2.829 m/s

V²/(2g) = 0.408 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 3)·0.408 = 5.304 m

दाब शीर्ष

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9.81) = 15.29 m

पंप शीर्ष

दोनों सतहें लगभग विराम में हैं, इसलिए कोई वेग शीर्ष पद नहीं है।

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 14 + 15.29 + 5.304 = 34.59 m

उत्तर

H = 34.59 m

9.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

उत्तर: Q = 0.04032 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 = 0.07952 m², R = D/4 = 0.1125 m

वेग

V = (1/0.013)·0.1125^2/3·0.0008^1/2 = 0.507 m/s

प्रवाह दर

Q = A·V = 0.07952·0.507 = 0.04032 m³/s

उत्तर

Q = 0.04032 m³/s

10.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

उत्तर: S = 0.004809 m/m

ज्यामिति

A = b·y = 4.5·1.4 = 6.3 m²

P = b + 2y = 4.5 + 2·1.4 = 7.3 m

R = A/P = 0.863 m

S के लिए मैनिंग हल करें

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0.022·18/(6.3·0.9065) = 0.06934

S = 0.06934² = 0.004809

उत्तर

S = 0.004809

यह प्रति किलोमीटर 4.809 m की गिरावट है।

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