Kejuruteraan Hidraulik: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 10 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Daya hidrostatik

Tekanan pada kedalaman
p = ρgh
Daya pada dinding menegak
F = ρg·hc·A
Pusat tekanan
yp = yc + Ic/(ycA)
Segi empat tepat
Ic = bH³/12

Keselanjaran & Bernoulli

Keselanjaran
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Kadar alir
Q = A·v
Luas bulatan
A = πd²/4

Geseran paip & kehilangan turus

Nombor Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Rejim aliran
lamina di bawah Re ≈ 2000, gelora di atas Re ≈ 4000
Halaju min
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Kehilangan kecil
hm = ΣK·V²/(2g)
Nilai K lazim
masukan 0.5, keluaran 1.0, lengkuk 90° ≈ 0.3
Susutan tekanan
Δp = ρ·g·hf
Dua takungan terbuka
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Keluaran bebas
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pam & kuasa pam

Kuasa hidraulik
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Kuasa aci
Pshaft = Ph/ηpump
Kuasa elektrik
Pel = Pshaft/ηmotor
Turus pam
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Kehilangan sistem
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Aliran saluran terbuka (Manning)

Persamaan Manning
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Kadar alir
Q = A·V
Jejari hidraulik
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Segi empat tepat
A = b·y, P = b + 2y
Trapezoid (cerun sisi z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Paip bulat, penuh atau separuh penuh
R = D/4
Cerun yang diperlukan
S = (n·Q/(A·R2/3))²

2Soalan latihan

1.Daya hidrostatikSederhana
pintu aird = 4 mH = 3 m

Satu pintu air segi empat tepat menegak selebar 3 m terletak pada dinding tangki air, dengan tepi atasnya 4 m di bawah permukaan. Cari daya hidrostatik paduan F pada pintu air itu.

d = 4 mH = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.Daya hidrostatikSukar
pintu aird = 3 mH = 1 m

Satu pintu air segi empat tepat menegak selebar 1.5 m terletak pada dinding tangki air laut, dengan tepi atasnya 3 m di bawah permukaan. Cari kedalaman ycp pusat tekanan di bawah permukaan.

d = 3 mH = 1 mb = 1.5 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
3.Keselanjaran & BernoulliSederhana
12d1​ = 150 mm, p1​ = 380 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?

Air mengalir melalui paip mengufuk yang mengecil daripada 150 mm kepada 40 mm. Pada bahagian lebar tekanan ialah 380 kPa dan halaju ialah 0.75 m/s. Abaikan kehilangan, cari tekanan p2 pada bahagian sempit.

d1 = 150 mmd2 = 40 mmp1 = 380 kPav1 = 0.75 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
4.Keselanjaran & BernoulliSukar
12d1​ = 75 mm, p1​ = 240 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 8 m

Air mengalir ke atas melalui paip yang mengecil daripada 75 mm kepada 50 mm sambil naik 8 m. Pada keratan 1 tekanan ialah 240 kPa dan halaju ialah 1.75 m/s. Abaikan kehilangan, cari tekanan p2 pada keratan 2.

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 240 kPav1 = 1.75 m/sΔz = 8 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.Geseran paip & kehilangan turusSederhana
Q = 10 L/sD = 75 mmL = 150 mf = 0.02

Air mengalir pada 10 L/s melalui paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 75 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.02 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran hf.

Q = 10 L/sL = 150 mD = 75 mmf = 0.02g = 9.81 m/s²
hf = m
6.Geseran paip & kehilangan turusSukar
K = 10Δz = 34 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0.0224× lengkuk (K = 0.3)

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 200 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.022. Permukaan air takungan atas berada 34 m di atas takungan bawah. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 4 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 10) dan keluaran ke dalam takungan bawah (K = 1.0). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kadar alir Q dalam L/s.

Δz = 34 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.022Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1.0
Q = L/s
7.Pam & kuasa pamSederhana
PQ = 25 L/sH = 72 m

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 72 m manakala acinya mengambil 20.8 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 25 L/sH = 72 mPshaft = 20.8 kWg = 9.81 m/s²
η = %
8.Pam & kuasa pamSukar
PQ = 100 L/sΔz = 18 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0.02, ΣK = 8

Satu pam memindahkan 100 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 18 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 300 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.02; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 8 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 100 L/sΔz = 18 mL = 300 mD = 250 mmf = 0.02ΣK = 8
H = m
9.Aliran saluran terbuka (Manning)Sederhana
b = 5.5 my = 1.3 mn = 0.03, S = 0.004

Satu saluran tanah berumput segi empat tepat selebar 5.5 m. Air mengalir secara seragam sedalam 1.3 m. n Manning = 0.03 dan cerun dasar ialah S = 0.004. Cari kadar alir Q dalam m³/s.

b = 5.5 my = 1.3 mn = 0.03S = 0.004
Q = m³/s
10.Aliran saluran terbuka (Manning)Sukar
D = 375 mmn = 0.013, V = 0.6 m/s

Satu pembetung konkrit dengan diameter dalam 375 mm (n Manning = 0.013) mesti mencapai halaju pembersihan sendiri 0.6 m/s apabila mengalir tepat penuh. Cari cerun minimum S (dalam m/m).

D = 375 mmn = 0.013V = 0.6 m/s
S = m/m

3Larutan

1.Daya hidrostatik

Jawapan: F = 485.6 kN

Daya hidrostatik pada permukaan satah: F = ρ·g·yc·A. Ia bertindak pada pusat tekanan, ycp = yc + Ic/(ycA), yang sentiasa terletak di bawah sentroid.

Kedalaman sentroid dan luas

yc = d + H/2 = 4 + 3/2 = 5.5 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
pintu aird = 4 mH = 3 mF

Daya paduan

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5.5·9 = 485.6 kN

Jawapan

F = 485.6 kN
2.Daya hidrostatik

Jawapan: ycp = 3.524 m

Daya hidrostatik pada permukaan satah: F = ρ·g·yc·A. Ia bertindak pada pusat tekanan, ycp = yc + Ic/(ycA), yang sentiasa terletak di bawah sentroid.

Kedalaman sentroid dan luas

yc = d + H/2 = 3 + 1/2 = 3.5 m
A = H·b = 1·1.5 = 1.5 m²
pintu aird = 3 mH = 1 mF

Daya paduan

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·3.5·1.5 = 52.79 kN

Pusat tekanan

Tekanan bertambah dengan kedalaman, jadi daya paduan bertindak di bawah sentroid.

Ic = b·H³/12 = 1.5·1³/12 = 0.125 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3.5 + 0.125/(3.5·1.5) = 3.524 m

Jawapan

ycp = 3.524 m
3.Keselanjaran & Bernoulli

Jawapan: p2 = 324.7 kPa

Keselanjaran dan Bernoulli: bagi bendalir tak boleh mampat, kadar alir adalah sama pada setiap keratan, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Sepanjang garis arus tanpa kehilangan, p + ½ρv² + ρgz adalah malar, jadi di tempat bendalir lebih laju atau lebih tinggi, tekanannya lebih rendah.

Keselanjaran dan Bernoulli

Bekerja dalam Pa, kemudian bahagi dengan 1000 untuk mendapatkan kPa.

v2 = v1·(d1/d2)² = 0.75·(150/40)² = 10.55 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.75² − 10.55²)/1000 = −55.34 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 380 + (−55.34) = 324.7 kPa

Jawapan

p2 = 324.7 kPa
4.Keselanjaran & Bernoulli

Jawapan: p2 = 155.3 kPa

Keselanjaran dan Bernoulli: bagi bendalir tak boleh mampat, kadar alir adalah sama pada setiap keratan, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Sepanjang garis arus tanpa kehilangan, p + ½ρv² + ρgz adalah malar, jadi di tempat bendalir lebih laju atau lebih tinggi, tekanannya lebih rendah.

Keselanjaran dan Bernoulli

Bekerja dalam Pa, kemudian bahagi dengan 1000 untuk mendapatkan kPa.

v2 = v1·(d1/d2)² = 1.75·(75/50)² = 3.938 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.75² − 3.938²)/1000 = −6.221 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·8/1000 = 78.48 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 240 + (−6.221) − 78.48 = 155.3 kPa

Jawapan

p2 = 155.3 kPa
5.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: hf = 10.45 m

Aliran paip: nombor Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ membezakan aliran lamina (Re di bawah kira-kira 2000) daripada aliran gelora (di atas kira-kira 4000). Geseran sepanjang paip menyebabkan kehilangan turus Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Alat sambungan, injap, masukan dan keluaran menambah kehilangan kecil hm = ΣK·V²/(2g). Antara dua permukaan takungan terbuka persamaan tenaga memberikan Δz = hf + hm, dengan kehilangan keluaran K = 1 disertakan.

Halaju min

A = π·0.075²/4 = 0.004418 m²
V = Q/A = 0.01/0.004418 = 2.264 m/s

Turus halaju

V²/(2g) = 2.264²/(2·9.81) = 0.2611 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(150/0.075)·2.264²/(2·9.81) = 10.45 m

Jawapan

hf = 10.45 m
6.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 230.3 L/s

Aliran paip: nombor Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ membezakan aliran lamina (Re di bawah kira-kira 2000) daripada aliran gelora (di atas kira-kira 4000). Geseran sepanjang paip menyebabkan kehilangan turus Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Alat sambungan, injap, masukan dan keluaran menambah kehilangan kecil hm = ΣK·V²/(2g). Antara dua permukaan takungan terbuka persamaan tenaga memberikan Δz = hf + hm, dengan kehilangan keluaran K = 1 disertakan.

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.022·200/0.25 = 17.6
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7

Persamaan tenaga

Kedua-dua permukaan terbuka kepada udara dan hampir pegun, jadi seluruh Δz hilang dalam paip.

34 = (17.6 + 12.7)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·34/30.3) = 4.692 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 4.692·0.04909 = 0.2303 m³/s = 230.3 L/s

Jawapan

Q = 230.3 L/s
7.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 84.89 %

Kuasa pam: kuasa yang diberikan kepada air ialah kuasa hidraulik Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Aci mesti menyalurkan lebih kerana pam kehilangan sebahagian: Pshaft = Ph/ηpump, dan motor mengambil Pel = Pshaft/ηmotor. Turus pam H diperoleh daripada persamaan tenaga: ketinggian statik + turus tekanan + semua kehilangan geseran dan kehilangan kecil.

Kuasa hidraulik

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.025·72 = 17.66 kW

Kecekapan

η = Ph/Pshaft = 17.66/20.8 = 84.89%

Jawapan

η = 84.89%
8.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 24.77 m

Kuasa pam: kuasa yang diberikan kepada air ialah kuasa hidraulik Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Aci mesti menyalurkan lebih kerana pam kehilangan sebahagian: Pshaft = Ph/ηpump, dan motor mengambil Pel = Pshaft/ηmotor. Turus pam H diperoleh daripada persamaan tenaga: ketinggian statik + turus tekanan + semua kehilangan geseran dan kehilangan kecil.

Halaju

V = Q/A = 0.1/0.04909 = 2.037 m/s
V²/(2g) = 0.2115 m

Kehilangan turus

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (24 + 8)·0.2115 = 6.769 m

Turus pam

Kedua-dua permukaan terbuka dan hampir pegun, jadi sebutan tekanan dan halaju tersingkir.

H = Δz + hL = 18 + 6.769 = 24.77 m

Jawapan

H = 24.77 m
9.Aliran saluran terbuka (Manning)

Jawapan: Q = 13.87 m³/s

Persamaan Manning (SI): untuk aliran seragam dalam saluran terbuka V = (1/n)·R2/3·S1/2 dan Q = A·V, dengan n pekali kekasaran, S cerun dasar (m/m) dan R = A/P jejari hidraulik: luas aliran dibahagi perimeter basah. Hanya sempadan yang bersentuhan dengan air dikira dalam P, bukan permukaan bebas. Segi empat tepat: A = b·y, P = b + 2y. Trapezoid dengan cerun sisi z:1 (mengufuk:menegak): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Paip bulat yang mengalir penuh atau separuh penuh mempunyai R = D/4.

Geometri

A = b·y = 5.5·1.3 = 7.15 m²
P = b + 2y = 5.5 + 2·1.3 = 8.1 m
R = A/P = 0.8827 m

Halaju

V = (1/0.03)·0.88272/3·0.0041/2 = 1.94 m/s

Kadar alir

Q = A·V = 7.15·1.94 = 13.87 m³/s

Jawapan

Q = 13.87 m³/s
10.Aliran saluran terbuka (Manning)

Jawapan: S = 0.001429 m/m

Persamaan Manning (SI): untuk aliran seragam dalam saluran terbuka V = (1/n)·R2/3·S1/2 dan Q = A·V, dengan n pekali kekasaran, S cerun dasar (m/m) dan R = A/P jejari hidraulik: luas aliran dibahagi perimeter basah. Hanya sempadan yang bersentuhan dengan air dikira dalam P, bukan permukaan bebas. Segi empat tepat: A = b·y, P = b + 2y. Trapezoid dengan cerun sisi z:1 (mengufuk:menegak): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Paip bulat yang mengalir penuh atau separuh penuh mempunyai R = D/4.

Jejari hidraulik

R = D/4 = 0.375/4 = 0.09375 m

Selesaikan Manning untuk S

S = (n·V/R2/3)² = (0.013·0.6/0.2064)² = 0.001429

Jawapan

S = 0.001429

Itu ialah penurunan 1.429 m setiap kilometer.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering