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 1,5 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.

d = 1,5 mH = 2,5 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 glycerine, met de bovenrand 1 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.

d = 1 mH = 3 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

3.Continuïteit en BernoulliGemiddeld

Water loopt uit een grote open tank via een scherpgerande opening met een diameter van 40 mm. Het waterniveau wordt op 1 m boven de opening gehouden en de afvoercoëfficiënt is 0,6. Vind het debiet Q. Gebruik g = 9,81 m/s².

d = 40 mmh = 1 mC_d = 0,6g = 9,81 m/s²

Q = L/s

4.Continuïteit en BernoulliMoeilijk

Een gesloten watertank heeft boven het water perslucht met een overdruk van 100 kPa. Water stroomt via een opening met een diameter van 40 mm, 1 m onder het wateroppervlak, de buitenlucht in. Vind, zonder verliezen, het debiet Q. Gebruik g = 9,81 m/s².

p_air = 100 kPa (overdruk)h = 1 md = 40 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

Q = L/s

5.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water stroomt met een gemiddelde snelheid van 1 m/s door een leiding van 50 m lang met een binnendiameter van 100 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies h_f.

V = 1 m/sL = 50 mD = 100 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²

h_f = m

6.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

Een leiding van 200 m lang met een binnendiameter van 150 mm (Darcy-wrijvingsfactor f = 0,02) loopt vanuit een open reservoir en stroomt als vrije straal uit in de lucht. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 2 bochten (K = 0,3 per stuk) en een afsluiter (K = 5). Gebruik g = 9,81 m/s². Hoe hoog H moet het reservoiroppervlak boven de uitstroomopening liggen voor een debiet van 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,02K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 5

H = m

7.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Bij een test levert een pomp 25 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 44 m, terwijl de as 13,8 kW opneemt. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het pomprendement η in procent.

Q = 25 L/sH = 44 mP_shaft = 13,8 kWg = 9,81 m/s²

η = %

8.Pompen en pompvermogenMoeilijk

Een pomp verplaatst 40 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 5 m hoger ligt. De leiding is 400 m lang met een binnendiameter van 150 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,02; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 8 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Vind de opvoerhoogte H die de pomp moet toevoegen.

Q = 40 L/sΔz = 5 mL = 400 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 8

H = m

9.Stroming in open waterlopen (Manning)Gemiddeld

Een rechthoekig kanaal van metselwerk is 5 m breed. Water stroomt eenparig 1,3 m diep. Manning-n = 0,015 en het bodemverhang is S = 0,002. Vind het debiet Q in m³/s.

b = 5 my = 1,3 mn = 0,015S = 0,002

Q = m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)Moeilijk

Een trapeziumvormig kanaal van grind met een bodembreedte van 1,5 m en taluds van 1,5:1 (horizontaal:verticaal) moet 12 m³/s afvoeren bij eenparige stroming met een diepte van 1,7 m. Manning-n = 0,025. Vind het benodigde bodemverhang S (in m/m).

Q = 12 m³/sb = 1,5 my = 1,7 mz = 1,5n = 0,025

S = m/m

3Oplossingen

1.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 101,2 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 = 1,5 + 2,5/2 = 2,75 m

A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·2,75·3,75 = 101,2 kN

Antwoord

F = 101,2 kN

2.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 92,7 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 + 3/2 = 2,5 m

A = H·b = 3·1 = 3 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 1260·9,81·2,5·3 = 92,7 kN

Antwoord

F = 92,7 kN

3.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: Q = 3,34 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) = √(2·9,81·1) = 4,429 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) = 0,6·0,001257·4,429 = 0,00334 m³/s = 3,34 L/s

Antwoord

Q = 3,34 L/s

4.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: Q = 18,62 L/s

Bernoulli van het oppervlak naar de straal

v = √(2·(100000/1000 + 9,81·1)) = 14,82 m/s

Debiet

Q = A·v = 0,001257·14,82 = 0,01862 m³/s = 18,62 L/s

Antwoord

Q = 18,62 L/s

5.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: h_f = 0,3823 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) = 1²/(2·9,81) = 0,05097 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(50/0,1)·1²/(2·9,81) = 0,3823 m

Antwoord

h_f = 0,3823 m

6.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: H = 13,78 m

Snelheid

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s

V²/(2g) = 0,408 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,02·200/0,15 = 26,67

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 = 6,1

Energievergelijking

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

H = (1 + 26,67 + 6,1)·0,408 = 13,78 m

Antwoord

H = 13,78 m

7.Pompen en pompvermogen

Antwoord: η = 78,2 %

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 = 1000·9,81·0,025·44 = 10,79 kW

Rendement

η = P_h/P_shaft = 10,79/13,8 = 78,2%

Antwoord

η = 78,2%

8.Pompen en pompvermogen

Antwoord: H = 21,02 m

Snelheid

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s

V²/(2g) = 0,2611 m

Drukhoogteverliezen

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (53,33 + 8)·0,2611 = 16,02 m

Opvoerhoogte van de pomp

Beide oppervlakken zijn open en praktisch in rust, dus de druk- en snelheidstermen vallen weg.

H = Δz + h_L = 5 + 16,02 = 21,02 m

Antwoord

H = 21,02 m

9.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: Q = 17,46 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 = b·y = 5·1,3 = 6,5 m²

P = b + 2y = 5 + 2·1,3 = 7,6 m

R = A/P = 0,8553 m

Snelheid

V = (1/0,015)·0,8553^2/3·0,002^1/2 = 2,686 m/s

Debiet

Q = A·V = 6,5·2,686 = 17,46 m³/s

Antwoord

Q = 17,46 m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: S = 0,002177 m/m

Geometrie

A = (b + z·y)·y = (1,5 + 1,5·1,7)·1,7 = 6,885 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 1,5 + 2·1,7·√(1 + 1,5²) = 7,629 m

R = A/P = 0,9024 m

Los Manning op naar S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,025·12/(6,885·0,9338) = 0,04666

S = 0,04666² = 0,002177

Antwoord

S = 0,002177

Dat is een daling van 2,177 m per kilometer.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering