Waterbouwkunde: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 10 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgaven Terug 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·h_c·A
Drukpunt: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
Rechthoek: I_c = 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: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Plaatselijke verliezen: h_m = ΣK·V²/(2g)
Gangbare K-waarden: intrede 0,5, uittrede 1,0, bocht van 90° ≈ 0,3
Drukval: Δp = ρ·g·h_f
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: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Asvermogen: P_shaft = P_h/η_pump
Elektrisch vermogen: P_el = P_shaft/η_motor
Opvoerhoogte van de pomp: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Systeemverliezen: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Stroming in open waterlopen (Manning)

Formule van Manning: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
Debiet: Q = A·V
Hydraulische straal: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rechthoek: A = b·y, P = b + 2y
Trapezium (taludhelling z:1): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Ronde buis, vol of half vol: R = D/4
Benodigd verhang: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

2Oefenopgaven

1.Hydrostatische krachtGemiddeld

Een verticale rechthoekige schuif van 1,5 m breed zit in de wand van een tank met water, met de bovenrand 0,5 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.

d = 0,5 mH = 3 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

2.Hydrostatische krachtMoeilijk

Een verticale rechthoekige schuif van 1 m breed zit in de wand van een tank met olie, met de bovenrand 0,5 m onder het oppervlak. Vind de diepte y_cp van het drukpunt onder het oppervlak.

d = 0,5 mH = 2,5 mb = 1 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²

y_cp = m

3.Continuïteit en BernoulliGemiddeld

Water loopt uit een grote open tank via een scherpgerande opening met een diameter van 30 mm. Het waterniveau wordt op 3 m boven de opening gehouden en de afvoercoëfficiënt is 0,65. Vind het debiet Q. Gebruik g = 9,81 m/s².

d = 30 mmh = 3 mC_d = 0,65g = 9,81 m/s²

Q = L/s

4.Continuïteit en BernoulliMoeilijk

Water stroomt omhoog door een leiding die versmalt van 100 mm naar 75 mm en daarbij 5 m stijgt. In doorsnede 1 is de druk 220 kPa en de snelheid 1,5 m/s. Verwaarloos verliezen en vind de druk p₂ in doorsnede 2.

d₁ = 100 mmd₂ = 75 mmp₁ = 220 kPav₁ = 1,5 m/sΔz = 5 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

5.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water stroomt met 15 L/s door een leiding van 500 m lang met een binnendiameter van 100 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,03 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies h_f.

Q = 15 L/sL = 500 mD = 100 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²

h_f = m

6.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

Een leiding van 150 m lang met een binnendiameter van 200 mm (Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015) loopt vanuit een open reservoir en stroomt als vrije straal uit in de lucht. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 4 bochten (K = 0,3 per stuk) en een afsluiter (K = 10). Gebruik g = 9,81 m/s². Hoe hoog H moet het reservoiroppervlak boven de uitstroomopening liggen voor een debiet van 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 10

H = m

7.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Bij een test levert een pomp 10 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 34 m, terwijl de as 5,1 kW opneemt. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het pomprendement η in procent.

Q = 10 L/sH = 34 mP_shaft = 5,1 kWg = 9,81 m/s²

η = %

8.Pompen en pompvermogenMoeilijk

Een pomp verplaatst 100 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 8 m hoger ligt. De leiding is 500 m lang met een binnendiameter van 250 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,018; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 5 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Het pomprendement is 85%. Vind het asvermogen P_shaft in kW.

Q = 100 L/sΔz = 8 mL = 500 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 5η = 85%

P_shaft = kW

9.Stroming in open waterlopen (Manning)Gemiddeld

Een betonnen regenwaterriool met een binnendiameter van 900 mm stroomt half vol. Manning-n = 0,013 en het verhang is S = 0,003. Vind het debiet Q in m³/s.

D = 900 mmn = 0,013S = 0,003

Q = m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)Moeilijk

Een betonnen riool met een binnendiameter van 450 mm (Manning-n = 0,013) moet bij net volle stroming een zelfreinigende snelheid van 1 m/s halen. Vind het minimale verhang S (in m/m).

D = 450 mmn = 0,013V = 1 m/s

S = m/m

3Oplossingen

1.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 88,29 kN

Hydrostatische kracht op een vlak oppervlak: F = ρ·g·y_c·A. De kracht grijpt aan in het drukpunt, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), dat altijd onder het zwaartepunt ligt.

Diepte van het zwaartepunt en oppervlakte

y_c = d + H/2 = 0,5 + 3/2 = 2 m

A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·2·4,5 = 88,29 kN

Antwoord

F = 88,29 kN

2.Hydrostatische kracht

Antwoord: y_cp = 2,048 m

Hydrostatische kracht op een vlak oppervlak: F = ρ·g·y_c·A. De kracht grijpt aan in het drukpunt, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), dat altijd onder het zwaartepunt ligt.

Diepte van het zwaartepunt en oppervlakte

y_c = d + H/2 = 0,5 + 2,5/2 = 1,75 m

A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 880·9,81·1,75·2,5 = 37,77 kN

Drukpunt

De druk neemt toe met de diepte, dus de resultante grijpt aan onder het zwaartepunt.

I_c = b·H³/12 = 1·2,5³/12 = 1,302 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 1,75 + 1,302/(1,75·2,5) = 2,048 m

Antwoord

y_cp = 2,048 m

3.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: Q = 3,525 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) = √(2·9,81·3) = 7,672 m/s

Werkelijk debiet

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

Q = C_d·A·√(2gh) = 0,65·0,0007069·7,672 = 0,003525 m³/s = 3,525 L/s

Antwoord

Q = 3,525 L/s

4.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: p₂ = 168,5 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 = 1,5·(100/75)² = 2,667 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(1,5² − 2,667²)/1000 = −2,431 kPa

ρgΔz = 1000·9,81·5/1000 = 49,05 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 220 + (−2,431) − 49,05 = 168,5 kPa

Antwoord

p₂ = 168,5 kPa

5.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: h_f = 27,89 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 h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Hulpstukken, afsluiters, de intrede en de uittrede geven plaatselijke verliezen h_m = ΣK·V²/(2g). Tussen twee open reservoiroppervlakken geeft de energievergelijking Δz = h_f + h_m, inclusief het uittredeverlies K = 1.

Gemiddelde snelheid

A = π·0,1²/4 = 0,007854 m²

V = Q/A = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s

Snelheidshoogte

V²/(2g) = 1,91²/(2·9,81) = 0,1859 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(500/0,1)·1,91²/(2·9,81) = 27,89 m

Antwoord

h_f = 27,89 m

6.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: H = 1,979 m

Snelheid

V = Q/A = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s

V²/(2g) = 0,08263 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,015·150/0,2 = 11,25

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

Energievergelijking

De uitstromende straal heeft nog zijn snelheidshoogte; dat is geen verlies, maar die moet wel geleverd worden.

H = (1 + 11,25 + 11,7)·0,08263 = 1,979 m

Antwoord

H = 1,979 m

7.Pompen en pompvermogen

Antwoord: η = 65,4 %

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

Hydraulisch vermogen

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,01·34 = 3,335 kW

Rendement

η = P_h/P_shaft = 3,335/5,1 = 65,4%

Antwoord

η = 65,4%

8.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_shaft = 19,24 kW

Snelheid

V = Q/A = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s

V²/(2g) = 0,2115 m

Drukhoogteverliezen

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (36 + 5)·0,2115 = 8,673 m

Opvoerhoogte van de pomp

H = Δz + h_L = 8 + 8,673 = 16,67 m

Asvermogen

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,1·16,67/0,85 = 19,24 kW

Antwoord

P_shaft = 19,24 kW

9.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: Q = 0,4958 m³/s

Formule van Manning (SI): voor eenparige stroming in een open waterloop geldt V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 en Q = A·V, met n de ruwheidscoëfficiënt, S het bodemverhang (m/m) en R = A/P de hydraulische straal: doorstroomoppervlak gedeeld door natte omtrek. Alleen de wand die contact maakt met het water telt mee in P, niet het vrije oppervlak. Rechthoek: A = b·y, P = b + 2y. Trapezium met taluds z:1 (horizontaal:verticaal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Een ronde buis die vol of half vol stroomt heeft R = D/4.

Geometrie

A = 0,3181 m², R = D/4 = 0,225 m

Snelheid

V = (1/0,013)·0,225^2/3·0,003^1/2 = 1,559 m/s

Debiet

Q = A·V = 0,3181·1,559 = 0,4958 m³/s

Antwoord

Q = 0,4958 m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: S = 0,003112 m/m

Hydraulische straal

R = D/4 = 0,45/4 = 0,1125 m

Los Manning op naar S

S = (n·V/R^2/3)² = (0,013·1/0,233)² = 0,003112

Antwoord

S = 0,003112

Dat is een daling van 3,112 m per kilometer.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering