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

d = 2 mH = 2 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

2.Hydrostatische krachtMoeilijk

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

d = 4 mH = 2,5 mb = 1,5 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

3.Continuïteit en BernoulliGemiddeld

Water stroomt met 8 L/s door een horizontale leiding die versmalt van 150 mm naar 75 mm. De druk in het smalle deel is 130 kPa. Vind, zonder verliezen, de druk p₁ in het brede deel.

Q = 8 L/sd₁ = 150 mmd₂ = 75 mmp₂ = 130 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = kPa

4.Continuïteit en BernoulliMoeilijk

Water stroomt omhoog door een leiding die versmalt van 200 mm naar 100 mm en daarbij 1 m stijgt. In doorsnede 1 is de druk 190 kPa en de snelheid 2,25 m/s. Verwaarloos verliezen en vind de druk p₂ in doorsnede 2.

d₁ = 200 mmd₂ = 100 mmp₁ = 190 kPav₁ = 2,25 m/sΔz = 1 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

5.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water stroomt met 5 L/s door een leiding van 400 m lang met een binnendiameter van 50 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,03 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies h_f.

Q = 5 L/sL = 400 mD = 50 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²

h_f = m

6.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

Twee open reservoirs zijn verbonden door een leiding van 400 m lang met een binnendiameter van 200 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 2 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 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 400 mD = 200 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1,0

Δz = m

7.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Een pomp met een rendement van 60% levert 20 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 50 m. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het benodigde asvermogen P_shaft, in kW.

Q = 20 L/sH = 50 mη = 60%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

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 11 m hoger ligt. De leiding is 100 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 75%. Vind het asvermogen P_shaft in kW.

Q = 40 L/sΔz = 11 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 5η = 75%

P_shaft = kW

9.Stroming in open waterlopen (Manning)Gemiddeld

Een trapeziumvormig kanaal van afgewerkt beton heeft een bodembreedte van 6 m en taluds van 2:1 (horizontaal:verticaal). Water stroomt eenparig 2 m diep. Manning-n = 0,012 en het bodemverhang is S = 0,0005. Vind het debiet Q in m³/s.

b = 6 my = 2 mz = 2n = 0,012S = 0,0005

Q = m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)Moeilijk

Een betonnen riool met een binnendiameter van 600 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 = 600 mmn = 0,013V = 1 m/s

S = m/m

3Oplossingen

1.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 117,7 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 = 2 + 2/2 = 3 m

A = H·b = 2·2 = 4 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·3·4 = 117,7 kN

Antwoord

F = 117,7 kN

2.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 170 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 = 4 + 2,5/2 = 5,25 m

A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 880·9,81·5,25·3,75 = 170 kN

Antwoord

F = 170 kN

3.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: p₁ = 131,5 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 = 0,008/0,01767 = 0,4527 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0,008/0,004418 = 1,811 m/s

Bernoulli

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 130 + ½·1000·(1,811² − 0,4527²)/1000 = 130 + 1,537 = 131,5 kPa

Antwoord

p₁ = 131,5 kPa

4.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: p₂ = 142,2 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 = 2,25·(200/100)² = 9 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(2,25² − 9²)/1000 = −37,97 kPa

ρgΔz = 1000·9,81·1/1000 = 9,81 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 190 + (−37,97) − 9,81 = 142,2 kPa

Antwoord

p₂ = 142,2 kPa

5.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: h_f = 79,32 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·0,05²/4 = 0,001963 m²

V = Q/A = 0,005/0,001963 = 2,546 m/s

Snelheidshoogte

V²/(2g) = 2,546²/(2·9,81) = 0,3305 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(400/0,05)·2,546²/(2·9,81) = 79,32 m

Antwoord

h_f = 79,32 m

6.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: Δz = 7,827 m

Snelheid

V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s

V²/(2g) = 0,1859 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,015·400/0,2 = 30

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Totaal drukhoogteverlies

h_f = 30·0,1859 = 5,577 m

h_m = 12,1·0,1859 = 2,25 m

Δz = h_f + h_m = 7,827 m

Antwoord

Δz = 7,827 m

7.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_shaft = 16,35 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 = 1000·9,81·0,02·50 = 9,81 kW

Asvermogen

P_shaft = P_h/η = 9,81/0,6 = 16,35 kW

Antwoord

P_shaft = 16,35 kW

8.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_shaft = 8,26 kW

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) = (13,33 + 5)·0,2611 = 4,788 m

Opvoerhoogte van de pomp

H = Δz + h_L = 11 + 4,788 = 15,79 m

Asvermogen

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·15,79/0,75 = 8,26 kW

Antwoord

P_shaft = 8,26 kW

9.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: Q = 45,26 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 + 2·2)·2 = 20 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 6 + 2·2·√(1 + 2²) = 14,94 m

R = A/P = 1,338 m

Snelheid

V = (1/0,012)·1,338^2/3·0,0005^1/2 = 2,263 m/s

Debiet

Q = A·V = 20·2,263 = 45,26 m³/s

Antwoord

Q = 45,26 m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: S = 0,00212 m/m

Hydraulische straal

R = D/4 = 0,6/4 = 0,15 m

Los Manning op naar S

S = (n·V/R^2/3)² = (0,013·1/0,2823)² = 0,00212

Antwoord

S = 0,00212

Dat is een daling van 2,12 m per kilometer.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering