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 3 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 = 2 mb = 3 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 water, met de bovenrand 2 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.

d = 2 mH = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

3.Continuïteit en BernoulliGemiddeld

Water stroomt door een horizontale leiding die versmalt van 150 mm naar 75 mm. In het brede deel is de druk 200 kPa en de snelheid 3 m/s. Verwaarloos verliezen en vind de druk p₂ in het smalle deel.

d₁ = 150 mmd₂ = 75 mmp₁ = 200 kPav₁ = 3 m/sρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

4.Continuïteit en BernoulliMoeilijk

Een horizontale venturimeter (inlaat 150 mm, keel 100 mm) voert water. Een kwik-U-buismanometer tussen de inlaat en de keel toont een niveauverschil van 70 mm. De afvoercoëfficiënt is 0,98. Vind het debiet Q. Gebruik ρ = 1000 kg/m³ voor water, 13 600 kg/m³ voor kwik en g = 9,81 m/s².

d₁ = 150 mmd₂ = 100 mmΔh = 70 mmC_d = 0,98ρ_Hg = 13 600 kg/m³g = 9,81 m/s²

Q = L/s

5.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water (ρ = 1000 kg/m³) stroomt met 2,8 m/s door een horizontale leiding van 200 m lang met een binnendiameter van 250 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015 en g = 9,81 m/s². Vind de drukval Δp over de leiding in kPa.

V = 2,8 m/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

6.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

Twee open reservoirs zijn verbonden door een leiding van 200 m lang met een binnendiameter van 200 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,025. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 4 bochten (K = 0,3 per stuk), een afsluiter (K = 2) 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 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,025K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 2K_exit = 1,0

Δz = m

7.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Een pomp levert 30 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 44 m. Het pomprendement is 82% en de elektromotor die de pomp aandrijft heeft een rendement van 92%. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het elektrisch vermogen P_el dat de motor opneemt, in kW.

Q = 30 L/sH = 44 mη_pump = 82%η_motor = 92%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

8.Pompen en pompvermogenMoeilijk

Een pomp verplaatst 20 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 30 m hoger ligt. De leiding is 150 m lang met een binnendiameter van 100 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,022; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 8 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². De bovenste tank is gesloten en de lucht boven het water staat op een overdruk van 200 kPa. Vind de opvoerhoogte H die de pomp moet toevoegen.

Q = 20 L/sΔz = 30 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,022ΣK = 8p_tank = 200 kPa

H = m

9.Stroming in open waterlopen (Manning)Gemiddeld

Een trapeziumvormig kanaal van afgewerkt beton heeft een bodembreedte van 5 m en taluds van 1,5:1 (horizontaal:verticaal). Water stroomt eenparig 1,7 m diep. Manning-n = 0,012 en het bodemverhang is S = 0,0015. Vind het debiet Q in m³/s.

b = 5 my = 1,7 mz = 1,5n = 0,012S = 0,0015

Q = m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)Moeilijk

Een trapeziumvormig kanaal van grond met grasbekleding met een bodembreedte van 2,5 m en taluds van 1,5:1 (horizontaal:verticaal) moet 23 m³/s afvoeren bij eenparige stroming met een diepte van 1,9 m. Manning-n = 0,03. Vind het benodigde bodemverhang S (in m/m).

Q = 23 m³/sb = 2,5 my = 1,9 mz = 1,5n = 0,03

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 = 1 + 2/2 = 2 m

A = H·b = 2·3 = 6 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·2·6 = 117,7 kN

Antwoord

F = 117,7 kN

2.Hydrostatische kracht

Antwoord: F = 309 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 + 3/2 = 3,5 m

A = H·b = 3·3 = 9 m²

Resulterende kracht

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·3,5·9 = 309 kN

Antwoord

F = 309 kN

3.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: p₂ = 132,5 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 = 3·(150/75)² = 12 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(3² − 12²)/1000 = −67,5 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) = 200 + (−67,5) = 132,5 kPa

Antwoord

p₂ = 132,5 kPa

4.Continuïteit en Bernoulli

Antwoord: Q = 35,74 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.

Drukverschil uit de manometer

Δp = (13600 − 1000)·9,81·0,07 = 8652 Pa

Snelheid in de keel

Continuïteit en Bernoulli samen geven de ideale snelheid in de keel.

β = 100/150 = 0,6667

v₂ = √(2·8652/(1000·(1 − 0,1975))) = 4,644 m/s

Werkelijk debiet

Q = C_d·A₂·v₂ = 0,98·0,007854·4,644 = 0,03574 m³/s = 35,74 L/s

Antwoord

Q = 35,74 L/s

5.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: Δp = 47,04 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) = 0,015·(200/0,25)·2,8²/(2·9,81) = 4,795 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 = 1000·9,81·4,795 = 47040 Pa = 47,04 kPa

Antwoord

Δp = 47,04 kPa

6.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: Δz = 3,834 m

Snelheid

V = Q/A = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s

V²/(2g) = 0,1291 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,025·200/0,2 = 25

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Totaal drukhoogteverlies

h_f = 25·0,1291 = 3,228 m

h_m = 4,7·0,1291 = 0,6068 m

Δz = h_f + h_m = 3,834 m

Antwoord

Δz = 3,834 m

7.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_el = 17,16 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 = 1000·9,81·0,03·44 = 12,95 kW

Asvermogen

P_shaft = 12,95/0,82 = 15,79 kW

Elektrisch vermogen

P_el = 15,79/0,92 = 17,16 kW

Antwoord

P_el = 17,16 kW

8.Pompen en pompvermogen

Antwoord: H = 63,94 m

Snelheid

V = Q/A = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s

V²/(2g) = 0,3305 m

Drukhoogteverliezen

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (33 + 8)·0,3305 = 13,55 m

Drukhoogte

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Opvoerhoogte van de pomp

Beide oppervlakken zijn praktisch in rust, dus er is geen term voor de snelheidshoogte.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 30 + 20,39 + 13,55 = 63,94 m

Antwoord

H = 63,94 m

9.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: Q = 45,56 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 = (5 + 1,5·1,7)·1,7 = 12,83 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·1,7·√(1 + 1,5²) = 11,13 m

R = A/P = 1,153 m

Snelheid

V = (1/0,012)·1,153^2/3·0,0015^1/2 = 3,549 m/s

Debiet

Q = A·V = 12,83·3,549 = 45,56 m³/s

Antwoord

Q = 45,56 m³/s

10.Stroming in open waterlopen (Manning)

Antwoord: S = 0,004122 m/m

Geometrie

A = (b + z·y)·y = (2,5 + 1,5·1,9)·1,9 = 10,16 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 2,5 + 2·1,9·√(1 + 1,5²) = 9,351 m

R = A/P = 1,087 m

Los Manning op naar S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,03·23/(10,16·1,057) = 0,0642

S = 0,0642² = 0,004122

Antwoord

S = 0,004122

Dat is een daling van 4,122 m per kilometer.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering