Stromingsleer: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Hydrostatische kracht

Druk op diepte
p = ρgh
Kracht op een verticale wand
F = ρg·hc·A
Drukpunt
yp = yc + Ic/(ycA)
Rechthoek
Ic = bH³/12

Continuïteit en Bernoulli

Continuïteit
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Debiet
Q = A·v
Oppervlakte van een cirkel
A = πd²/4

Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Getal van Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Stromingsregime
laminair onder Re ≈ 2000, turbulent boven Re ≈ 4000
Gemiddelde snelheid
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Plaatselijke verliezen
hm = ΣK·V²/(2g)
Gangbare K-waarden
intrede 0,5, uittrede 1,0, bocht van 90° ≈ 0,3
Drukval
Δp = ρ·g·hf
Twee open reservoirs
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Vrije uitstroming
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompen en pompvermogen

Hydraulisch vermogen
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Asvermogen
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrisch vermogen
Pel = Pshaft/ηmotor
Opvoerhoogte van de pomp
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Systeemverliezen
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Oefenopgaven

1.Hydrostatische krachtGemiddeld
schuifd = 4 mH = 2,5 m

Een verticale rechthoekige schuif van 1 m breed zit in de wand van een tank met water, met de bovenrand 4 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.

d = 4 mH = 2,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
2.Hydrostatische krachtMoeilijk
schuifd = 4 mH = 1 m

Een verticale rechthoekige schuif van 1,5 m breed zit in de wand van een tank met zeewater, met de bovenrand 4 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.

d = 4 mH = 1 mb = 1,5 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.Continuïteit en BernoulliGemiddeld
Q = ?d = 40 mm, Cd​ = 0,61h = 4,5 m

Water loopt uit een grote open tank via een scherpgerande opening met een diameter van 40 mm. Het waterniveau wordt op 4,5 m boven de opening gehouden en de afvoercoëfficiënt is 0,61. Vind het debiet Q. Gebruik g = 9,81 m/s².

d = 40 mmh = 4,5 mCd = 0,61g = 9,81 m/s²
Q = L/s
4.Continuïteit en BernoulliMoeilijk
12d1​ = 100 mm, p1​ = 260 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?Δz = 3 m

Water stroomt omhoog door een leiding die versmalt van 100 mm naar 75 mm en daarbij 3 m stijgt. In doorsnede 1 is de druk 260 kPa en de snelheid 0,75 m/s. Verwaarloos verliezen en vind de druk p2 in doorsnede 2.

d1 = 100 mmd2 = 75 mmp1 = 260 kPav1 = 0,75 m/sΔz = 3 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld
V = 1,7 m/sD = 75 mmL = 300 mf = 0,03

Water stroomt met een gemiddelde snelheid van 1,7 m/s door een leiding van 300 m lang met een binnendiameter van 75 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,03 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies hf.

V = 1,7 m/sL = 300 mD = 75 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
6.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0182× bocht (K = 0,3)

Twee open reservoirs zijn verbonden door een leiding van 200 m lang met een binnendiameter van 300 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,018. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 2 bochten (K = 0,3 per stuk), een afsluiter (K = 2) en de uittrede in het lagere reservoir (K = 1,0). Gebruik g = 9,81 m/s². Welk niveauverschil Δz tussen de reservoirs geeft een debiet van 150 L/s?

Q = 150 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
7.Pompen en pompvermogenGemiddeld
PQ = 25 L/sH = 76 m

Bij een test levert een pomp 25 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 76 m, terwijl de as 23,3 kW opneemt. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het pomprendement η in procent.

Q = 25 L/sH = 76 mPshaft = 23,3 kWg = 9,81 m/s²
η = %
8.Pompen en pompvermogenMoeilijk
PQ = 50 L/sΔz = 6 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 5

Een pomp verplaatst 50 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 6 m hoger ligt. De leiding is 200 m lang met een binnendiameter van 150 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,02; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 5 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Het pomprendement is 65%. Vind het asvermogen Pshaft in kW.

Q = 50 L/sΔz = 6 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 5η = 65%
Pshaft = kW

3Oplossingen

1.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 128,8 kN

Hydrostatische kracht op een vlak oppervlak: F = ρ·g·yc·A. De kracht grijpt aan in het drukpunt, ycp = yc + Ic/(ycA), dat altijd onder het zwaartepunt ligt.

Diepte van het zwaartepunt en oppervlakte

yc = d + H/2 = 4 + 2,5/2 = 5,25 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
schuifd = 4 mH = 2,5 mF

Resulterende kracht

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,25·2,5 = 128,8 kN

Antwoord

F = 128,8 kN
2.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 67,87 kN

Hydrostatische kracht op een vlak oppervlak: F = ρ·g·yc·A. De kracht grijpt aan in het drukpunt, ycp = yc + Ic/(ycA), dat altijd onder het zwaartepunt ligt.

Diepte van het zwaartepunt en oppervlakte

yc = d + H/2 = 4 + 1/2 = 4,5 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
schuifd = 4 mH = 1 mF

Resulterende kracht

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·4,5·1,5 = 67,87 kN

Antwoord

F = 67,87 kN
3.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: Q = 7,203 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.

Ideale straalsnelheid

√(2gh) = √(2·9,81·4,5) = 9,396 m/s

Werkelijk debiet

De afvoercoëfficiënt houdt rekening met de contractie van de straal en de wrijving aan de rand.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0,61·0,001257·9,396 = 0,007203 m³/s = 7,203 L/s

Antwoord

Q = 7,203 L/s
4.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: p2 = 230 kPa

Continuïteit en Bernoulli: voor een onsamendrukbare vloeistof is het debiet in elke doorsnede gelijk, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Langs een stroomlijn zonder verliezen is p + ½ρv² + ρgz constant, dus waar de vloeistof sneller stroomt of hoger ligt, is de druk lager.

Continuïteit en Bernoulli

Werk in Pa, en deel dan door 1000 om kPa te krijgen.

v2 = v1·(d1/d2)² = 0,75·(100/75)² = 1,333 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0,75² − 1,333²)/1000 = −0,6076 kPa
ρgΔz = 1000·9,81·3/1000 = 29,43 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 260 + (−0,6076) − 29,43 = 230 kPa

Antwoord

p2 = 230 kPa
5.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: hf = 17,68 m

Leidingstroming: het getal van Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ onderscheidt laminaire stroming (Re onder ongeveer 2000) van turbulente stroming (boven ongeveer 4000). Wrijving langs een leiding kost het drukhoogteverlies volgens Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Hulpstukken, afsluiters, de intrede en de uittrede geven plaatselijke verliezen hm = ΣK·V²/(2g). Tussen twee open reservoiroppervlakken geeft de energievergelijking Δz = hf + hm, inclusief het uittredeverlies K = 1.

Snelheidshoogte

V²/(2g) = 1,7²/(2·9,81) = 0,1473 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(300/0,075)·1,7²/(2·9,81) = 17,68 m

Antwoord

hf = 17,68 m
6.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: Δz = 3,695 m

Leidingstroming: het getal van Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ onderscheidt laminaire stroming (Re onder ongeveer 2000) van turbulente stroming (boven ongeveer 4000). Wrijving langs een leiding kost het drukhoogteverlies volgens Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Hulpstukken, afsluiters, de intrede en de uittrede geven plaatselijke verliezen hm = ΣK·V²/(2g). Tussen twee open reservoiroppervlakken geeft de energievergelijking Δz = hf + hm, inclusief het uittredeverlies K = 1.

Snelheid

V = Q/A = 0,15/0,07069 = 2,122 m/s
V²/(2g) = 0,2295 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,018·200/0,3 = 12
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Totaal drukhoogteverlies

hf = 12·0,2295 = 2,754 m
hm = 4,1·0,2295 = 0,941 m
Δz = hf + hm = 3,695 m

Antwoord

Δz = 3,695 m
7.Pompen en pompvermogen

Antwoord: η = 80 %

Pompvermogen: het vermogen dat aan het water wordt gegeven is het hydraulisch vermogen Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. De as moet meer leveren omdat de pomp verliezen heeft: Pshaft = Ph/ηpump, en de motor neemt Pel = Pshaft/ηmotor op. De opvoerhoogte H volgt uit de energievergelijking: statische opvoerhoogte + drukhoogte + alle wrijvings- en plaatselijke verliezen.

Hydraulisch vermogen

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,025·76 = 18,64 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 18,64/23,3 = 80%

Antwoord

η = 80%
8.Pompen en pompvermogen

Antwoord: Pshaft = 14,28 kW

Pompvermogen: het vermogen dat aan het water wordt gegeven is het hydraulisch vermogen Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. De as moet meer leveren omdat de pomp verliezen heeft: Pshaft = Ph/ηpump, en de motor neemt Pel = Pshaft/ηmotor op. De opvoerhoogte H volgt uit de energievergelijking: statische opvoerhoogte + drukhoogte + alle wrijvings- en plaatselijke verliezen.

Snelheid

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Drukhoogteverliezen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (26,67 + 5)·0,408 = 12,92 m

Opvoerhoogte van de pomp

H = Δz + hL = 6 + 12,92 = 18,92 m

Asvermogen

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·18,92/0,65 = 14,28 kW

Antwoord

Pshaft = 14,28 kW

ExamProblems · examproblems.com/courses/fluid-mechanics