流体力学：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、8 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

静水圧

深さでの圧力
p = ρgh
鉛直な壁に働く力
F = ρg·hc·A
圧力中心
yp = yc + Ic/(ycA)
長方形
Ic = bH³/12

連続の式とベルヌーイ

連続の式
A1v1 = A2v2
ベルヌーイの定理
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
流量
Q = A·v
円の面積
A = πd²/4

管摩擦と損失水頭

レイノルズ数
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
流れの状態
Re ≈ 2000 未満で層流、Re ≈ 4000 を超えると乱流
平均流速
V = Q/A, A = π·D²/4
ダルシー・ワイスバッハの式
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
局所損失
hm = ΣK·V²/(2g)
代表的な K の値
入口 0.5、出口 1.0、90° 曲がり ≈ 0.3
圧力損失
Δp = ρ·g·hf
2 つの開放貯水槽
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
自由放出
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

ポンプとポンプ動力

水動力
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
軸動力
Pshaft = Ph/ηpump
電力
Pel = Pshaft/ηmotor
ポンプ揚程
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
管路系の損失
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2演習問題

1.静水圧ふつう
ゲートd = 2.5 mH = 3 m

幅 3 m の鉛直な長方形ゲートが、水を入れたタンクの壁にあり、その上端は液面から 2.5 m 下にある。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。

d = 2.5 mH = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.静水圧むずかしい
ゲートd = 1.5 mH = 3 m

幅 1 m の鉛直な長方形ゲートが、油を入れたタンクの壁にあり、その上端は液面から 1.5 m 下にある。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。

d = 1.5 mH = 3 mb = 1 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
3.連続の式とベルヌーイふつう
12d1​ = 75 mm, p1​ = 210 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?

水が、75 mm から 40 mm に細くなる水平管を流れる。太い部分の圧力は 210 kPa、流速は 1 m/s である。損失を無視して、細い部分の圧力 p2 を求めよ。

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 210 kPav1 = 1 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
4.連続の式とベルヌーイむずかしい
12d1​ = 75 mm, p1​ = 330 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 7 m

水が、75 mm から 50 mm に細くなりながら 7 m 上昇する管を上向きに流れる。断面 1 での圧力は 330 kPa、流速は 1.5 m/s である。損失を無視して、断面 2 での圧力 p2 を求めよ。

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 330 kPav1 = 1.5 m/sΔz = 7 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.管摩擦と損失水頭ふつう
V = 2 m/sD = 250 mmL = 200 mf = 0.018

水（ρ = 1000 kg/m³）が、長さ 200 m、内径 250 mm の水平管内を 2 m/s で流れている。ダルシーの管摩擦係数 f = 0.018、g = 9.81 m/s² とする。管での圧力損失 Δp を kPa で求めよ。

V = 2 m/sL = 200 mD = 250 mmf = 0.018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
6.管摩擦と損失水頭むずかしい
K = 10Δz = 37 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0.0254× 曲がり (K = 0.3)

2 つの開放貯水槽が、長さ 200 m、内径 250 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.025 の管でつながれている。上の貯水槽の水面は下の貯水槽の水面より 37 m 高い。局所損失は 角ばった入口（K = 0.5）、4 個の曲がり（各 K = 0.3）、弁（K = 10）、下の貯水槽への出口（K = 1.0） である。g = 9.81 m/s² とする。流量 Q を L/s で求めよ。

Δz = 37 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.025Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1.0
Q = L/s
7.ポンプとポンプ動力ふつう
PQ = 40 L/sH = 10 m

ポンプが揚程 10 m に対して水（ρ = 1000 kg/m³）を 40 L/s 送っている。ポンプ効率は 80%、これを駆動する電動機の効率は 90% である。g = 9.81 m/s² とする。電動機が消費する電力 Pel を kW で求めよ。

Q = 40 L/sH = 10 mηpump = 80%ηmotor = 90%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
8.ポンプとポンプ動力むずかしい
300 kPa (ゲージ圧)PQ = 15 L/sΔz = 5 mL = 300 m, D = 100 mm, f = 0.025, ΣK = 6

ポンプが 15 L/s の水（ρ = 1000 kg/m³）を、開放された下の貯水槽から、水面が 5 m 高い上のタンクへ送る。管は長さ 300 m、内径 100 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.025 で、局所損失係数の合計は ΣK = 6（入口と出口を含む）である。g = 9.81 m/s² とする。 上のタンクは密閉されており、水面上の空気のゲージ圧は 300 kPa である。ポンプが与えなければならない揚程 H を求めよ。

Q = 15 L/sΔz = 5 mL = 300 mD = 100 mmf = 0.025ΣK = 6ptank = 300 kPa
H = m

3溶液

1.静水圧

答え: F = 353.2 kN

平面に働く静水圧：F = ρ·g·yc·A。力は圧力中心 ycp = yc + Ic/(ycA) に作用し、これは常に図心より下にあります。

図心の深さと面積

yc = d + H/2 = 2.5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
ゲートd = 2.5 mH = 3 mF

合力

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4·9 = 353.2 kN

答え

F = 353.2 kN
2.静水圧

答え: F = 77.7 kN

平面に働く静水圧：F = ρ·g·yc·A。力は圧力中心 ycp = yc + Ic/(ycA) に作用し、これは常に図心より下にあります。

図心の深さと面積

yc = d + H/2 = 1.5 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
ゲートd = 1.5 mH = 3 mF

合力

F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·3·3 = 77.7 kN

答え

F = 77.7 kN
3.連続の式とベルヌーイ

答え: p2 = 204.3 kPa

連続の式とベルヌーイの定理：非圧縮性流体では、どの断面でも流量は同じです：Q = A₁v₁ = A₂v₂。損失のない流線に沿って p + ½ρv² + ρgz は一定なので、流れが速いところや高いところほど圧力は低くなります。

連続の式とベルヌーイ

Pa で計算し、1000 で割って kPa にします。

v2 = v1·(d1/d2)² = 1·(75/40)² = 3.516 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1² − 3.516²)/1000 = −5.68 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 210 + (−5.68) = 204.3 kPa

答え

p2 = 204.3 kPa
4.連続の式とベルヌーイ

答え: p2 = 256.8 kPa

連続の式とベルヌーイの定理：非圧縮性流体では、どの断面でも流量は同じです：Q = A₁v₁ = A₂v₂。損失のない流線に沿って p + ½ρv² + ρgz は一定なので、流れが速いところや高いところほど圧力は低くなります。

連続の式とベルヌーイ

Pa で計算し、1000 で割って kPa にします。

v2 = v1·(d1/d2)² = 1.5·(75/50)² = 3.375 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.5² − 3.375²)/1000 = −4.57 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·7/1000 = 68.67 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 330 + (−4.57) − 68.67 = 256.8 kPa

答え

p2 = 256.8 kPa
5.管摩擦と損失水頭

答え: Δp = 28.8 kPa

管内流れ：レイノルズ数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ によって、層流（Re が約 2000 未満）と乱流（約 4000 超）を区別します。管に沿った摩擦によってダルシー・ワイスバッハの損失水頭 hf = f·(L/D)·V²/(2g) が生じます。継手、弁、入口、出口は局所損失 hm = ΣK·V²/(2g) を加えます。2 つの開放貯水槽の水面間では、エネルギー式から Δz = hf + hm（出口損失 K = 1 を含む）が得られます。

損失水頭

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.018·(200/0.25)·2²/(2·9.81) = 2.936 m

圧力損失

管は水平で流速も変わらないので、エネルギー式は Δp = ρ·g·hf になります。

Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·2.936 = 28800 Pa = 28.8 kPa

答え

Δp = 28.8 kPa
6.管摩擦と損失水頭

答え: Q = 231.3 L/s

管内流れ：レイノルズ数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ によって、層流（Re が約 2000 未満）と乱流（約 4000 超）を区別します。管に沿った摩擦によってダルシー・ワイスバッハの損失水頭 hf = f·(L/D)·V²/(2g) が生じます。継手、弁、入口、出口は局所損失 hm = ΣK·V²/(2g) を加えます。2 つの開放貯水槽の水面間では、エネルギー式から Δz = hf + hm（出口損失 K = 1 を含む）が得られます。

損失係数

f·L/D = 0.025·200/0.25 = 20
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7

エネルギー式

どちらの水面も大気に開放され、ほぼ静止しているので、Δz はすべて管内で失われます。

37 = (20 + 12.7)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·37/32.7) = 4.712 m/s

流量

Q = V·π·D²/4 = 4.712·0.04909 = 0.2313 m³/s = 231.3 L/s

答え

Q = 231.3 L/s
7.ポンプとポンプ動力

答え: Pel = 5.45 kW

ポンプ動力：水に与えられる動力は水動力 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp です。ポンプには損失があるので、軸はそれより大きな動力を伝えなければなりません：Pshaft = Ph/ηpump。モーターが消費する電力は Pel = Pshaft/ηmotor です。ポンプ揚程 H はエネルギー式から求めます：実揚程 + 圧力水頭 + すべての摩擦損失と局所損失。

水動力

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.04·10 = 3.924 kW

軸動力

Pshaft = 3.924/0.8 = 4.905 kW

電力

Pel = 4.905/0.9 = 5.45 kW

答え

Pel = 5.45 kW
8.ポンプとポンプ動力

答え: H = 50.64 m

ポンプ動力：水に与えられる動力は水動力 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp です。ポンプには損失があるので、軸はそれより大きな動力を伝えなければなりません：Pshaft = Ph/ηpump。モーターが消費する電力は Pel = Pshaft/ηmotor です。ポンプ揚程 H はエネルギー式から求めます：実揚程 + 圧力水頭 + すべての摩擦損失と局所損失。

速度

V = Q/A = 0.015/0.007854 = 1.91 m/s
V²/(2g) = 0.1859 m

損失水頭

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (75 + 6)·0.1859 = 15.06 m

圧力水頭

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9.81) = 30.58 m

ポンプ揚程

どちらの水面もほぼ静止しているので、速度水頭の項はありません。

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 5 + 30.58 + 15.06 = 50.64 m

答え

H = 50.64 m

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