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

d = 4 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 तेल वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 4 m नीचे है। सतह के नीचे दाब केंद्र की गहराई y_cp ज्ञात कीजिए।

d = 4 mH = 2.5 mb = 1.5 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

3.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर से बहता है जिसका प्रवेश व्यास 150 mm और कंठ व्यास 75 mm है। प्रवेश पर दाब कंठ की तुलना में 28 kPa अधिक है। हानियों को नगण्य मानते हुए प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d₁ = 150 mmd₂ = 75 mmp₁ − p₂ = 28 kPaρ = 1000 kg/m³

Q = L/s

4.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

एक बंद पानी की टंकी में पानी के ऊपर 90 kPa गेज दाब पर संपीडित वायु है। पानी सतह से 1.5 m नीचे 40 mm व्यास वाले छिद्र से खुली हवा में निकलता है। हानियों को नगण्य मानते हुए ज्ञात कीजिए: प्रवाह दर Q। g = 9.81 m/s² लें।

p_air = 90 kPa (गेज)h = 1.5 md = 40 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

Q = L/s

5.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल 100 mm आंतरिक व्यास वाले 150 m लंबे पाइप से 4 L/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.025 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि h_f ज्ञात कीजिए।

Q = 4 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²

h_f = m

6.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

दो खुले जलाशय 150 m लंबे, 150 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018 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 = 10) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। जलाशयों के बीच जल स्तर का कितना अंतर Δz, 20 L/s की प्रवाह दर देता है?

Q = 20 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 10K_exit = 1.0

Δz = m

7.पंप और पंप शक्तिमध्यम

एक पंप 76 m शीर्ष के विरुद्ध 60 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 78% है और उसे चलाने वाली विद्युत मोटर की दक्षता 94% है। g = 9.81 m/s² लें। मोटर द्वारा ली गई विद्युत शक्ति P_el kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 60 L/sH = 76 mη_pump = 78%η_motor = 94%g = 9.81 m/s²

P_el = 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 9 m ऊँची है। पाइप 100 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 150 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 4 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। ऊपरी टैंक बंद है और उसके जल के ऊपर की वायु 350 kPa के गेज दाब पर है। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 50 L/sΔz = 9 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.022ΣK = 4p_tank = 350 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 = 0.005 है। प्रवाह दर Q m³/s में ज्ञात कीजिए।

D = 450 mmn = 0.013S = 0.005

Q = m³/s

10.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)कठिन

1 m चौड़ी एक आयताकार साफ़ मिट्टी वाहिका को 0.5 m गहराई पर एकसमान प्रवाह में 0.2 m³/s वहन करना है। मैनिंग n = 0.022। आवश्यक तल ढाल S (m/m में) ज्ञात कीजिए।

Q = 0.2 m³/sb = 1 my = 0.5 mn = 0.022

S = m/m

3विलयन

1.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 209.7 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 = 4 + 1.5/2 = 4.75 m

A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·4.75·4.5 = 209.7 kN

उत्तर

F = 209.7 kN

2.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: y_cp = 5.349 m

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 4 + 2.5/2 = 5.25 m

A = H·b = 2.5·1.5 = 3.75 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 880·9.81·5.25·3.75 = 170 kN

दाब केंद्र

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

I_c = b·H³/12 = 1.5·2.5³/12 = 1.953 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 5.25 + 1.953/(5.25·3.75) = 5.349 m

उत्तर

y_cp = 5.349 m

3.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 34.14 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.

सांतत्य

v₁ = v₂·(75/150)² = 0.25·v₂

प्रवेश और कंठ के बीच बर्नूली

पाइप क्षैतिज है, इसलिए केवल दाब और वेग बदलते हैं।

p₁ − p₂ = ½ρv₂²(1 − β⁴)

v₂ = √(2·28000/(1000·(1 − 0.0625))) = 7.729 m/s

v₁ = 1.932 m/s

प्रवाह दर

Q = A₂·v₂ = 0.004418·7.729 = 0.03414 m³/s = 34.14 L/s

उत्तर

Q = 34.14 L/s

4.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 18.19 L/s

सतह से जेट तक बर्नूली

v = √(2·(90000/1000 + 9.81·1.5)) = 14.47 m/s

प्रवाह दर

Q = A·v = 0.001257·14.47 = 0.01819 m³/s = 18.19 L/s

उत्तर

Q = 18.19 L/s

5.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: h_f = 0.4958 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।

औसत वेग

A = π·0.1²/4 = 0.007854 m²

V = Q/A = 0.004/0.007854 = 0.5093 m/s

वेग शीर्ष

V²/(2g) = 0.5093²/(2·9.81) = 0.01322 m

डार्सी–वाइसबाख

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(150/0.1)·0.5093²/(2·9.81) = 0.4958 m

उत्तर

h_f = 0.4958 m

6.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δz = 1.985 m

वेग

V = Q/A = 0.02/0.01767 = 1.132 m/s

V²/(2g) = 0.06529 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.018·150/0.15 = 18

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 10 + 1.0 = 12.4

कुल शीर्ष हानि

h_f = 18·0.06529 = 1.175 m

h_m = 12.4·0.06529 = 0.8095 m

Δz = h_f + h_m = 1.985 m

उत्तर

Δz = 1.985 m

7.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_el = 61.01 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 = 1000·9.81·0.06·76 = 44.73 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = 44.73/0.78 = 57.35 kW

विद्युत शक्ति

P_el = 57.35/0.94 = 61.01 kW

उत्तर

P_el = 61.01 kW

8.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 52.29 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) = (14.67 + 4)·0.408 = 7.617 m

दाब शीर्ष

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9.81) = 35.68 m

पंप शीर्ष

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 9 + 35.68 + 7.617 = 52.29 m

उत्तर

H = 52.29 m

9.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

उत्तर: Q = 0.1008 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)·0.1125^2/3·0.005^1/2 = 1.268 m/s

प्रवाह दर

Q = A·V = 0.07952·1.268 = 0.1008 m³/s

उत्तर

Q = 0.1008 m³/s

10.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

उत्तर: S = 0.0004917 m/m

ज्यामिति

A = b·y = 1·0.5 = 0.5 m²

P = b + 2y = 1 + 2·0.5 = 2 m

R = A/P = 0.25 m

S के लिए मैनिंग हल करें

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0.022·0.2/(0.5·0.3969) = 0.02217

S = 0.02217² = 0.0004917

उत्तर

S = 0.0004917

यह प्रति किलोमीटर 0.4917 m की गिरावट है।

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