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 3 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.

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

F = kN

2.Hydrostatische krachtMoeilijk

Een verticale rechthoekige schuif van 3 m breed zit in de wand van een tank met glycerine, met de bovenrand 2 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.

d = 2 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

3.Continuïteit en BernoulliGemiddeld

Water stroomt door een horizontale leiding die versmalt van 200 mm naar 100 mm. In het brede deel is de druk 250 kPa en de snelheid 2 m/s. Verwaarloos verliezen en vind de druk p₂ in het smalle deel.

d₁ = 200 mmd₂ = 100 mmp₁ = 250 kPav₁ = 2 m/sρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

4.Continuïteit en BernoulliMoeilijk

Een slang met een binnendiameter van 20 mm hevelt water uit een open tank. Het hoogste punt C van de slang ligt 2,5 m boven het wateroppervlak, en de uitlaat (open naar de lucht) ligt 3,5 m onder het wateroppervlak. Verwaarloos verliezen en neem g = 9,81 m/s². Vind de absolute druk p_C in punt C. De atmosferische druk is 101,3 kPa.

d = 20 mmz_C = +2,5 mz₂ = −3,5 mg = 9,81 m/s²p_atm = 101,3 kPa

p_C = kPa

5.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water (ρ = 1000 kg/m³) stroomt met 2,7 m/s door een horizontale leiding van 150 m lang met een binnendiameter van 200 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,025 en g = 9,81 m/s². Vind de drukval Δp over de leiding in kPa.

V = 2,7 m/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

6.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

Een leiding van 150 m lang met een binnendiameter van 100 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), 4 bochten (K = 0,3 per stuk) en een afsluiter (K = 2). Gebruik g = 9,81 m/s². Hoe hoog H moet het reservoiroppervlak boven de uitstroomopening liggen voor een debiet van 12 L/s?

Q = 12 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,02K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 2

H = m

7.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Een pomp met een rendement van 75% levert 60 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 68 m. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het benodigde asvermogen P_shaft, in kW.

Q = 60 L/sH = 68 mη = 75%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

8.Pompen en pompvermogenMoeilijk

Een pomp verplaatst 120 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 11 m hoger ligt. De leiding is 100 m lang met een binnendiameter van 250 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,02; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 3 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Vind de opvoerhoogte H die de pomp moet toevoegen.

Q = 120 L/sΔz = 11 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,02ΣK = 3

H = m

9.Stroming in open waterlopen (Manning)Gemiddeld

Een trapeziumvormig kanaal van metselwerk heeft een bodembreedte van 6 m en taluds van 2:1 (horizontaal:verticaal). Water stroomt eenparig 0,9 m diep. Manning-n = 0,015 en het bodemverhang is S = 0,0005. Vind het debiet Q in m³/s.

b = 6 my = 0,9 mz = 2n = 0,015S = 0,0005

Q = m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)Moeilijk

Een rechthoekig kanaal van afgewerkt beton, 5,5 m breed, moet 12 m³/s afvoeren bij eenparige stroming met een diepte van 1,3 m. Manning-n = 0,012. Vind het benodigde bodemverhang S (in m/m).

Q = 12 m³/sb = 5,5 my = 1,3 mn = 0,012

S = m/m

3Oplossingen

1.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 82,77 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 = 3 + 1,5/2 = 3,75 m

A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·3,75·2,25 = 82,77 kN

Antwoord

F = 82,77 kN

2.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 301,3 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 = 2 + 2,5/2 = 3,25 m

A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 1260·9,81·3,25·7,5 = 301,3 kN

Antwoord

F = 301,3 kN

3.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: p₂ = 220 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 = 2·(200/100)² = 8 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(2² − 8²)/1000 = −30 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) = 250 + (−30) = 220 kPa

Antwoord

p₂ = 220 kPa

4.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: p_C = 42,44 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.

Snelheid in de slang

Oppervlak en uitlaat zijn allebei open naar de lucht, dus de drukterm valt weg.

v = √(2g·3,5) = √(2·9,81·3,5) = 8,287 m/s

Bernoulli van het oppervlak naar C

p_atm = p_C + ½ρv² + ρgz_C

p_C = 101,3 − 1000·(8,287²/2 + 9,81·2,5)/1000 = 101,3 − 58,86 = 42,44 kPa

Antwoord

p_C = 42,44 kPa

Als deze druk daalt tot de dampdruk van het water, werkt de hevel niet meer.

5.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: Δp = 68,34 kPa

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.

Drukhoogteverlies

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(150/0,2)·2,7²/(2·9,81) = 6,967 m

Drukval

De leiding is horizontaal en de snelheid verandert niet, dus de energievergelijking wordt Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·6,967 = 68344 Pa = 68,34 kPa

Antwoord

Δp = 68,34 kPa

6.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: H = 4,129 m

Snelheid

V = Q/A = 0,012/0,007854 = 1,528 m/s

V²/(2g) = 0,119 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,02·150/0,1 = 30

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7

Energievergelijking

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

H = (1 + 30 + 3,7)·0,119 = 4,129 m

Antwoord

H = 4,129 m

7.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_shaft = 53,37 kW

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 = 1000·9,81·0,06·68 = 40,02 kW

Asvermogen

P_shaft = P_h/η = 40,02/0,75 = 53,37 kW

Antwoord

P_shaft = 53,37 kW

8.Pompen en pompvermogen

Antwoord: H = 14,35 m

Snelheid

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s

V²/(2g) = 0,3046 m

Drukhoogteverliezen

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (8 + 3)·0,3046 = 3,351 m

Opvoerhoogte van de pomp

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

H = Δz + h_L = 11 + 3,351 = 14,35 m

Antwoord

H = 14,35 m

9.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: Q = 8,252 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 + z·y)·y = (6 + 2·0,9)·0,9 = 7,02 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 6 + 2·0,9·√(1 + 2²) = 10,02 m

R = A/P = 0,7003 m

Snelheid

V = (1/0,015)·0,7003^2/3·0,0005^1/2 = 1,176 m/s

Debiet

Q = A·V = 7,02·1,176 = 8,252 m³/s

Antwoord

Q = 8,252 m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: S = 0,000479 m/m

Geometrie

A = b·y = 5,5·1,3 = 7,15 m²

P = b + 2y = 5,5 + 2·1,3 = 8,1 m

R = A/P = 0,8827 m

Los Manning op naar S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,012·12/(7,15·0,9202) = 0,02189

S = 0,02189² = 0,000479

Antwoord

S = 0,000479

Dat is een daling van 0,479 m per kilometer.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering