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 baharu Kembali 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·h_c·A
Pusat tekanan: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
Segi empat tepat: I_c = 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: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Kehilangan kecil: h_m = ΣK·V²/(2g)
Nilai K lazim: masukan 0.5, keluaran 1.0, lengkuk 90° ≈ 0.3
Susutan tekanan: Δp = ρ·g·h_f
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: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Kuasa aci: P_shaft = P_h/η_pump
Kuasa elektrik: P_el = P_shaft/η_motor
Turus pam: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Kehilangan sistem: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Aliran saluran terbuka (Manning)

Persamaan Manning: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
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·R^2/3))²

2Soalan latihan

1.Daya hidrostatikSederhana

Satu pintu air segi empat tepat menegak selebar 1.5 m terletak pada dinding tangki air, dengan tepi atasnya 1 m di bawah permukaan. Cari daya hidrostatik paduan F pada pintu air itu.

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

F = kN

2.Daya hidrostatikSukar

Satu pintu air segi empat tepat menegak selebar 1 m terletak pada dinding tangki air, dengan tepi atasnya 4 m di bawah permukaan. Cari kedalaman y_cp pusat tekanan di bawah permukaan.

d = 4 mH = 2.5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

3.Keselanjaran & BernoulliSederhana

Air mengalir keluar daripada tangki terbuka yang besar melalui orifis bertepi tajam berdiameter 20 mm. Aras air dikekalkan 5.5 m di atas orifis dan pekali nyahcas ialah 0.62. Cari kadar aliran Q. Gunakan g = 9.81 m/s².

d = 20 mmh = 5.5 mC_d = 0.62g = 9.81 m/s²

Q = L/s

4.Keselanjaran & BernoulliSukar

Satu muncung air pancut menghala lurus ke atas. Sejurus di bawah muncung, paip bekalan berdiameter 50 mm dan bertekanan tolok 20 kPa. Diameter keluar muncung ialah 30 mm, dan beza ketinggian merentasi muncung boleh diabaikan. Dengan mengabaikan kehilangan dan rintangan udara, cari ketinggian H yang dicapai pancutan di atas muncung. Gunakan g = 9.81 m/s².

d₁ = 50 mmp₁ = 20 kPa (tolok)d₂ = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

H = m

5.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada 150 L/s melalui paip sepanjang 800 m dengan diameter dalam 300 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.025 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

Q = 150 L/sL = 800 mD = 300 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²

h_f = m

6.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 200 mm (faktor geseran Darcy f = 0.015) bermula dari takungan terbuka dan mengalir keluar sebagai pancutan bebas ke udara. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 3 lengkuk (K = 0.3 setiap satu) dan injap (K = 10). Gunakan g = 9.81 m/s². Seberapa tinggi H permukaan takungan mesti berada di atas keluaran paip untuk kadar alir 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 10

H = m

7.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam menghantar 60 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 22 m. Kecekapan pam ialah 78% dan motor elektrik yang memacunya mempunyai kecekapan 95%. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa elektrik P_el yang diambil oleh motor, dalam kW.

Q = 60 L/sH = 22 mη_pump = 78%η_motor = 95%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

8.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 80 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 35 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 100 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.022; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 8 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya berada pada tekanan tolok 350 kPa. Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 80 L/sΔz = 35 mL = 100 mD = 200 mmf = 0.022ΣK = 8p_tank = 350 kPa

H = m

9.Aliran saluran terbuka (Manning)Sederhana

Satu saluran konkrit siap trapezoid mempunyai lebar dasar 5.5 m dan cerun sisi 1.5:1 (mengufuk:menegak). Air mengalir secara seragam sedalam 0.7 m. n Manning = 0.012 dan cerun dasar ialah S = 0.001. Cari kadar alir Q dalam m³/s.

b = 5.5 my = 0.7 mz = 1.5n = 0.012S = 0.001

Q = m³/s

10.Aliran saluran terbuka (Manning)Sukar

Satu saluran kerja bata segi empat tepat selebar 2.5 m mesti membawa 6.4 m³/s dalam aliran seragam pada kedalaman 1.7 m. n Manning = 0.015. Cari cerun dasar yang diperlukan S (dalam m/m).

Q = 6.4 m³/sb = 2.5 my = 1.7 mn = 0.015

S = m/m

3Larutan

1.Daya hidrostatik

Jawapan: F = 22.07 kN

Daya hidrostatik pada permukaan satah: F = ρ·g·y_c·A. Ia bertindak pada pusat tekanan, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), yang sentiasa terletak di bawah sentroid.

Kedalaman sentroid dan luas

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

A = H·b = 1·1.5 = 1.5 m²

Daya paduan

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·1.5·1.5 = 22.07 kN

Jawapan

F = 22.07 kN

2.Daya hidrostatik

Jawapan: y_cp = 5.349 m

Daya hidrostatik pada permukaan satah: F = ρ·g·y_c·A. Ia bertindak pada pusat tekanan, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), yang sentiasa terletak di bawah sentroid.

Kedalaman sentroid dan luas

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

A = H·b = 2.5·1 = 2.5 m²

Daya paduan

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·5.25·2.5 = 128.8 kN

Pusat tekanan

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

I_c = b·H³/12 = 1·2.5³/12 = 1.302 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 5.25 + 1.302/(5.25·2.5) = 5.349 m

Jawapan

y_cp = 5.349 m

3.Keselanjaran & Bernoulli

Jawapan: Q = 2.023 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.

Halaju pancutan unggul

√(2gh) = √(2·9.81·5.5) = 10.39 m/s

Kadar aliran sebenar

Pekali nyahcas mengambil kira pengecutan pancutan dan geseran pada tepi.

Q = C_d·A·√(2gh) = 0.62·0.0003142·10.39 = 0.002023 m³/s = 2.023 L/s

Jawapan

Q = 2.023 L/s

4.Keselanjaran & Bernoulli

Jawapan: H = 2.342 m

Halaju keluar

β = 30/50 = 0.6

v₂ = √(2p₁/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·20000/(1000·0.8704)) = 6.779 m/s

Ketinggian pancutan

Bernoulli di sepanjang pancutan: di puncak halaju ialah sifar dan tekanan kembali menjadi atmosfera.

H = v₂²/(2g) = 6.779²/(2·9.81) = 2.342 m

Jawapan

H = 2.342 m

5.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 15.3 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 h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Alat sambungan, injap, masukan dan keluaran menambah kehilangan kecil h_m = ΣK·V²/(2g). Antara dua permukaan takungan terbuka persamaan tenaga memberikan Δz = h_f + h_m, dengan kehilangan keluaran K = 1 disertakan.

Halaju min

A = π·0.3²/4 = 0.07069 m²

V = Q/A = 0.15/0.07069 = 2.122 m/s

Turus halaju

V²/(2g) = 2.122²/(2·9.81) = 0.2295 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(800/0.3)·2.122²/(2·9.81) = 15.3 m

Jawapan

h_f = 15.3 m

6.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 7.817 m

Halaju

V = Q/A = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·150/0.2 = 11.25

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 10 = 11.4

Persamaan tenaga

Pancutan keluaran masih membawa turus halajunya; ia bukan kehilangan tetapi mesti dibekalkan.

H = (1 + 11.25 + 11.4)·0.3305 = 7.817 m

Jawapan

H = 7.817 m

7.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_el = 17.48 kW

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

Kuasa hidraulik

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.06·22 = 12.95 kW

Kuasa aci

P_shaft = 12.95/0.78 = 16.6 kW

Kuasa elektrik

P_el = 16.6/0.95 = 17.48 kW

Jawapan

P_el = 17.48 kW

8.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 76.96 m

Halaju

V = Q/A = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (11 + 8)·0.3305 = 6.28 m

Turus tekanan

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

Turus pam

Kedua-dua permukaan hampir pegun, jadi tiada sebutan turus halaju.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 35 + 35.68 + 6.28 = 76.96 m

Jawapan

H = 76.96 m

9.Aliran saluran terbuka (Manning)

Jawapan: Q = 8.32 m³/s

Persamaan Manning (SI): untuk aliran seragam dalam saluran terbuka V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 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 + z·y)·y = (5.5 + 1.5·0.7)·0.7 = 4.585 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 5.5 + 2·0.7·√(1 + 1.5²) = 8.024 m

R = A/P = 0.5714 m

Halaju

V = (1/0.012)·0.5714^2/3·0.001^1/2 = 1.815 m/s

Kadar alir

Q = A·V = 4.585·1.815 = 8.32 m³/s

Jawapan

Q = 8.32 m³/s

10.Aliran saluran terbuka (Manning)

Jawapan: S = 0.0007902 m/m

Geometri

A = b·y = 2.5·1.7 = 4.25 m²

P = b + 2y = 2.5 + 2·1.7 = 5.9 m

R = A/P = 0.7203 m

Selesaikan Manning untuk S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0.015·6.4/(4.25·0.8036) = 0.02811

S = 0.02811² = 0.0007902

Jawapan

S = 0.0007902

Itu ialah penurunan 0.7902 m setiap kilometer.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering