แรงจากความดันของไหลนิ่ง
- ความดันที่ความลึกหนึ่ง
- p = ρgh
- แรงที่กระทำต่อผนังแนวดิ่ง
- F = ρg·hc·A
- จุดศูนย์กลางความดัน
- yp = yc + Ic/(ycA)
- สี่เหลี่ยมผืนผ้า
- Ic = bH³/12
กลศาสตร์ของไหล: ชุดสรุปเร่งรัด
สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 8 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม
1สูตรและวิธีทำ
ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี
- ความต่อเนื่อง
- A1v1 = A2v2
- เบอร์นูลลี
- p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
- อัตราการไหล
- Q = A·v
- พื้นที่วงกลม
- A = πd²/4
แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย
- เลขเรย์โนลดส์
- Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
- ระบอบการไหล
- ราบเรียบต่ำกว่า Re ≈ 2000 ปั่นป่วนสูงกว่า Re ≈ 4000
- ความเร็วเฉลี่ย
- V = Q/A, A = π·D²/4
- ดาร์ซี–ไวส์บาค
- hf = f·(L/D)·V²/(2g)
- การสูญเสียย่อย
- hm = ΣK·V²/(2g)
- ค่า K ทั่วไป
- ทางเข้า 0.5 ทางออก 1.0 ข้องอ 90° ≈ 0.3
- ความดันตก
- Δp = ρ·g·hf
- อ่างเก็บน้ำเปิดสองแห่ง
- Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
- ทางออกอิสระ
- H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
ปั๊มและกำลังของปั๊ม
- กำลังไฮดรอลิก
- Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
- กำลังที่เพลา
- Pshaft = Ph/ηpump
- กำลังไฟฟ้า
- Pel = Pshaft/ηmotor
- เฮดของปั๊ม
- H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
- การสูญเสียในระบบ
- hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
2โจทย์ฝึก
1.แรงจากความดันของไหลนิ่งปานกลาง
ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 3 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุน้ำ โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 4 m หาแรงลัพธ์จากความดันของไหล F ที่กระทำต่อประตูน้ำ
d = 4 mH = 2 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.แรงจากความดันของไหลนิ่งยาก
ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 1 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุน้ำมัน โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 2 m หาความลึก ycp ของจุดศูนย์กลางความดันใต้ผิว
d = 2 mH = 2 mb = 1 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
3.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลีปานกลาง
น้ำระบายจากถังเปิดขนาดใหญ่ผ่านช่องขอบคมเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm ระดับน้ำอยู่สูงกว่าช่อง 5 m คงที่ และสัมประสิทธิ์การไหลออกคือ 0.65 จงหาอัตราการไหล Q ใช้ g = 9.81 m/s²
d = 50 mmh = 5 mCd = 0.65g = 9.81 m/s²
Q = L/s
4.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลียาก
สายยางเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 40 mm ใช้ไซฟอนน้ำจากถังเปิด จุดสูงสุด C ของสายยางอยู่สูงกว่าผิวน้ำ 1 m และปลายทางออก (เปิดสู่อากาศ) อยู่ต่ำกว่าผิวน้ำ 2 m ไม่คิดการสูญเสียและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาความดันสัมบูรณ์ pC ที่จุด C ความดันบรรยากาศคือ 101.3 kPa
d = 40 mmzC = +1 mz2 = −2 mg = 9.81 m/s²patm = 101.3 kPa
pC = kPa
5.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียปานกลาง
น้ำ (ρ = 1000 kg/m³) ไหลด้วย 2.3 m/s ผ่านท่อแนวนอนยาว 500 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 100 mm ใช้ตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.025 และ g = 9.81 m/s² หาความดันตก Δp ตลอดท่อใน kPa
V = 2.3 m/sL = 500 mD = 100 mmf = 0.025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
6.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียยาก
ท่อยาว 400 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 300 mm (ตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.022) ต่อจากอ่างเก็บน้ำเปิดและปล่อยน้ำเป็นลำอิสระสู่อากาศ การสูญเสียย่อยคือทางเข้าขอบคม (K = 0.5) ข้องอ 3 ตัว (ตัวละ K = 0.3) และวาล์ว (K = 5) ใช้ g = 9.81 m/s² ผิวอ่างต้องสูงกว่าทางออกของท่อ H เท่าใดเพื่อให้ได้อัตราการไหล 120 L/s
Q = 120 L/sL = 400 mD = 300 mmf = 0.022Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 5
H = m
7.ปั๊มและกำลังของปั๊มปานกลาง
ปั๊มที่มีประสิทธิภาพ 70% ส่งน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 150 L/s ต้านเฮด 64 m ใช้ g = 9.81 m/s² หากำลังที่เพลา Pshaft ที่ต้องใช้ ใน kW
Q = 150 L/sH = 64 mη = 70%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
8.ปั๊มและกำลังของปั๊มยาก
ปั๊มสูบน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 20 L/s จากอ่างล่างแบบเปิดไปยังถังบนที่ผิวน้ำสูงกว่า 9 m ท่อยาว 100 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 100 mm และตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.02 ส่วนสัมประสิทธิ์การสูญเสียย่อยรวมกันเป็น ΣK = 8 (รวมทางเข้าและทางออกแล้ว) ใช้ g = 9.81 m/s² ถังบนปิดและอากาศเหนือน้ำมีความดันเกจ 150 kPa หาเฮด H ที่ปั๊มต้องเพิ่มให้
Q = 20 L/sΔz = 9 mL = 100 mD = 100 mmf = 0.02ΣK = 8ptank = 150 kPa
H = m
3สารละลาย
1.แรงจากความดันของไหลนิ่ง
คำตอบ: F = 294.3 kN
แรงจากความดันของไหลบนพื้นผิวระนาบ: F = ρ·g·yc·A กระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน ycp = yc + Ic/(ycA) ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเซนทรอยด์เสมอ
ความลึกของเซนทรอยด์และพื้นที่
yc = d + H/2 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
แรงลัพธ์
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5·6 = 294.3 kN
คำตอบ
F = 294.3 kN
2.แรงจากความดันของไหลนิ่ง
คำตอบ: ycp = 3.111 m
แรงจากความดันของไหลบนพื้นผิวระนาบ: F = ρ·g·yc·A กระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน ycp = yc + Ic/(ycA) ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเซนทรอยด์เสมอ
ความลึกของเซนทรอยด์และพื้นที่
yc = d + H/2 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
แรงลัพธ์
F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·3·2 = 51.8 kN
จุดศูนย์กลางความดัน
ความดันเพิ่มขึ้นตามความลึก แรงลัพธ์จึงกระทำต่ำกว่าเซนทรอยด์
Ic = b·H³/12 = 1·2³/12 = 0.6667 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 0.6667/(3·2) = 3.111 m
คำตอบ
ycp = 3.111 m
3.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี
คำตอบ: Q = 12.64 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.
ความเร็วลำน้ำอุดมคติ
√(2gh) = √(2·9.81·5) = 9.905 m/s
อัตราการไหลจริง
สัมประสิทธิ์การไหลออกคิดรวมการหดตัวของลำน้ำและแรงเสียดทานที่ขอบ
Q = Cd·A·√(2gh) = 0.65·0.001963·9.905 = 0.01264 m³/s = 12.64 L/s
คำตอบ
Q = 12.64 L/s
4.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี
คำตอบ: pC = 71.87 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.
ความเร็วในสายยาง
ผิวน้ำและทางออกเปิดสู่อากาศทั้งคู่ พจน์ความดันจึงหักล้างกัน
v = √(2g·2) = √(2·9.81·2) = 6.264 m/s
เบอร์นูลลีจากผิวน้ำถึง C
patm = pC + ½ρv² + ρgzC
pC = 101.3 − 1000·(6.264²/2 + 9.81·1)/1000 = 101.3 − 29.43 = 71.87 kPa
คำตอบ
pC = 71.87 kPa
ถ้าความดันนี้ลดลงถึงความดันไอของน้ำ ไซฟอนจะหยุดทำงาน
5.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย
คำตอบ: Δp = 330.6 kPa
การไหลในท่อ: เลขเรย์โนลดส์ Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ บอกการไหลแบบราบเรียบ (Re ต่ำกว่าประมาณ 2000) จากแบบปั่นป่วน (สูงกว่าประมาณ 4000) ความเสียดทานตามท่อทำให้เกิดการสูญเสียเฮดแบบดาร์ซี–ไวส์บาค hf = f·(L/D)·V²/(2g) ข้อต่อ วาล์ว ทางเข้า และทางออกเพิ่มการสูญเสียย่อย hm = ΣK·V²/(2g) ระหว่างผิวน้ำของอ่างเปิดสองแห่ง สมการพลังงานให้ Δz = hf + hm โดยรวมการสูญเสียที่ทางออก K = 1 ด้วย
การสูญเสียเฮด
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(500/0.1)·2.3²/(2·9.81) = 33.7 m
ความดันตก
ท่ออยู่ในแนวนอนและความเร็วไม่เปลี่ยน สมการพลังงานจึงเหลือ Δp = ρ·g·hf
Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·33.7 = 330625 Pa = 330.6 kPa
คำตอบ
Δp = 330.6 kPa
6.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย
คำตอบ: H = 5.396 m
การไหลในท่อ: เลขเรย์โนลดส์ Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ บอกการไหลแบบราบเรียบ (Re ต่ำกว่าประมาณ 2000) จากแบบปั่นป่วน (สูงกว่าประมาณ 4000) ความเสียดทานตามท่อทำให้เกิดการสูญเสียเฮดแบบดาร์ซี–ไวส์บาค hf = f·(L/D)·V²/(2g) ข้อต่อ วาล์ว ทางเข้า และทางออกเพิ่มการสูญเสียย่อย hm = ΣK·V²/(2g) ระหว่างผิวน้ำของอ่างเปิดสองแห่ง สมการพลังงานให้ Δz = hf + hm โดยรวมการสูญเสียที่ทางออก K = 1 ด้วย
ความเร็ว
V = Q/A = 0.12/0.07069 = 1.698 m/s
V²/(2g) = 0.1469 m
สัมประสิทธิ์การสูญเสีย
f·L/D = 0.022·400/0.3 = 29.33
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 5 = 6.4
สมการพลังงาน
ลำน้ำที่ทางออกยังมีเฮดความเร็ว ไม่ใช่การสูญเสียแต่ต้องจ่ายให้
H = (1 + 29.33 + 6.4)·0.1469 = 5.396 m
คำตอบ
H = 5.396 m
7.ปั๊มและกำลังของปั๊ม
คำตอบ: Pshaft = 134.5 kW
กำลังปั๊ม: กำลังที่ให้แก่น้ำคือกำลังไฮดรอลิก Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp เพลาต้องส่งกำลังมากกว่านั้นเพราะปั๊มสูญเสียบางส่วน: Pshaft = Ph/ηpump และมอเตอร์ดึง Pel = Pshaft/ηmotor เฮดของปั๊ม H ได้จากสมการพลังงาน: ความสูงยกสถิต + เฮดความดัน + การสูญเสียจากความเสียดทานและการสูญเสียย่อยทั้งหมด
กำลังไฮดรอลิก
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.15·64 = 94.18 kW
กำลังที่เพลา
Pshaft = Ph/η = 94.18/0.7 = 134.5 kW
คำตอบ
Pshaft = 134.5 kW
8.ปั๊มและกำลังของปั๊ม
คำตอบ: H = 33.54 m
กำลังปั๊ม: กำลังที่ให้แก่น้ำคือกำลังไฮดรอลิก Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp เพลาต้องส่งกำลังมากกว่านั้นเพราะปั๊มสูญเสียบางส่วน: Pshaft = Ph/ηpump และมอเตอร์ดึง Pel = Pshaft/ηmotor เฮดของปั๊ม H ได้จากสมการพลังงาน: ความสูงยกสถิต + เฮดความดัน + การสูญเสียจากความเสียดทานและการสูญเสียย่อยทั้งหมด
ความเร็ว
V = Q/A = 0.02/0.007854 = 2.546 m/s
V²/(2g) = 0.3305 m
การสูญเสียเฮด
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 8)·0.3305 = 9.254 m
เฮดความดัน
p/(ρ·g) = 150000/(1000·9.81) = 15.29 m
เฮดของปั๊ม
ผิวทั้งสองแทบจะนิ่ง จึงไม่มีพจน์เฮดความเร็ว
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 9 + 15.29 + 9.254 = 33.54 m
คำตอบ
H = 33.54 m
ExamProblems · examproblems.com/courses/fluid-mechanics