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

d = 1 mH = 1,5 mb = 2 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 1,5 m onder het oppervlak. Vind de diepte y_cp van het drukpunt onder het oppervlak.

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

y_cp = m

3.Continuïteit en BernoulliGemiddeld

Water stroomt met 32 L/s door een horizontale leiding die versmalt van 200 mm naar 100 mm. De druk in het smalle deel is 130 kPa. Vind, zonder verliezen, de druk p₁ in het brede deel.

Q = 32 L/sd₁ = 200 mmd₂ = 100 mmp₂ = 130 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = kPa

4.Continuïteit en BernoulliMoeilijk

Een fonteinmondstuk wijst recht omhoog. Net onder het mondstuk heeft de toevoerleiding een diameter van 75 mm en een overdruk van 70 kPa. De uitlaatdiameter van het mondstuk is 30 mm, en het hoogteverschil over het mondstuk is verwaarloosbaar. Vind, zonder verliezen en luchtweerstand, de hoogte H die de straal boven het mondstuk stijgt. Gebruik g = 9,81 m/s².

d₁ = 75 mmp₁ = 70 kPa (overdruk)d₂ = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

H = m

5.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water stroomt met een gemiddelde snelheid van 1,1 m/s door een leiding van 150 m lang met een binnendiameter van 300 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,022 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies h_f.

V = 1,1 m/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²

h_f = m

6.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

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), 4 bochten (K = 0,3 per stuk), een afsluiter (K = 10) 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 200 L/s?

Q = 200 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 10K_exit = 1,0

Δz = m

7.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Bij een test levert een pomp 15 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 50 m, terwijl de as 11,3 kW opneemt. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het pomprendement η in procent.

Q = 15 L/sH = 50 mP_shaft = 11,3 kWg = 9,81 m/s²

η = %

8.Pompen en pompvermogenMoeilijk

Een pomp verplaatst 75 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 17 m hoger ligt. De leiding is 100 m lang met een binnendiameter van 200 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 65%. Vind het asvermogen P_shaft in kW.

Q = 75 L/sΔz = 17 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 5η = 65%

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 = 0,0008. Vind het debiet Q in m³/s.

D = 900 mmn = 0,013S = 0,0008

Q = m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)Moeilijk

Een trapeziumvormig kanaal van grond met grasbekleding met een bodembreedte van 1 m en taluds van 1:1 (horizontaal:verticaal) moet 3,3 m³/s afvoeren bij eenparige stroming met een diepte van 1,3 m. Manning-n = 0,03. Vind het benodigde bodemverhang S (in m/m).

Q = 3,3 m³/sb = 1 my = 1,3 mz = 1n = 0,03

S = m/m

3Oplossingen

1.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 51,5 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 = 1 + 1,5/2 = 1,75 m

A = H·b = 1,5·2 = 3 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·1,75·3 = 51,5 kN

Antwoord

F = 51,5 kN

2.Hydrostatische kracht

Antwoord: y_cp = 2,633 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 = 1,5 + 2/2 = 2,5 m

A = H·b = 2·1 = 2 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 880·9,81·2,5·2 = 43,16 kN

Drukpunt

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

I_c = b·H³/12 = 1·2³/12 = 0,6667 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 2,5 + 0,6667/(2,5·2) = 2,633 m

Antwoord

y_cp = 2,633 m

3.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: p₁ = 137,8 kPa

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.

Snelheden

v₁ = Q/A₁ = 0,032/0,03142 = 1,019 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0,032/0,007854 = 4,074 m/s

Bernoulli

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 130 + ½·1000·(4,074² − 1,019²)/1000 = 130 + 7,781 = 137,8 kPa

Antwoord

p₁ = 137,8 kPa

4.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: H = 7,323 m

Uittreesnelheid

β = 30/75 = 0,4

v₂ = √(2p₁/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·70000/(1000·0,9744)) = 11,99 m/s

Hoogte van de straal

Bernoulli langs de straal: bovenaan is de snelheid nul en de druk weer atmosferisch.

H = v₂²/(2g) = 11,99²/(2·9,81) = 7,323 m

Antwoord

H = 7,323 m

5.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: h_f = 0,6784 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.

Snelheidshoogte

V²/(2g) = 1,1²/(2·9,81) = 0,06167 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(150/0,3)·1,1²/(2·9,81) = 0,6784 m

Antwoord

h_f = 0,6784 m

6.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: Δz = 10,08 m

Snelheid

V = Q/A = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s

V²/(2g) = 0,408 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,018·200/0,3 = 12

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Totaal drukhoogteverlies

h_f = 12·0,408 = 4,896 m

h_m = 12,7·0,408 = 5,182 m

Δz = h_f + h_m = 10,08 m

Antwoord

Δz = 10,08 m

7.Pompen en pompvermogen

Antwoord: η = 65,11 %

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 = 1000·9,81·0,015·50 = 7,357 kW

Rendement

η = P_h/P_shaft = 7,357/11,3 = 65,11%

Antwoord

η = 65,11%

8.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_shaft = 23,85 kW

Snelheid

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s

V²/(2g) = 0,2905 m

Drukhoogteverliezen

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 5)·0,2905 = 4,067 m

Opvoerhoogte van de pomp

H = Δz + h_L = 17 + 4,067 = 21,07 m

Asvermogen

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·21,07/0,65 = 23,85 kW

Antwoord

P_shaft = 23,85 kW

9.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: Q = 0,256 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)·0,225^2/3·0,0008^1/2 = 0,8049 m/s

Debiet

Q = A·V = 0,3181·0,8049 = 0,256 m³/s

Antwoord

Q = 0,256 m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: S = 0,001991 m/m

Geometrie

A = (b + z·y)·y = (1 + 1·1,3)·1,3 = 2,99 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·1,3·√(1 + 1²) = 4,677 m

R = A/P = 0,6393 m

Los Manning op naar S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,03·3,3/(2,99·0,7421) = 0,04462

S = 0,04462² = 0,001991

Antwoord

S = 0,001991

Dat is een daling van 1,991 m per kilometer.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering