แรงจากความดันของไหลนิ่ง
- ความดันที่ความลึกหนึ่ง
- p = ρgh
- แรงที่กระทำต่อผนังแนวดิ่ง
- F = ρg·hc·A
- จุดศูนย์กลางความดัน
- yp = yc + Ic/(ycA)
- สี่เหลี่ยมผืนผ้า
- Ic = bH³/12
วิศวกรรมชลศาสตร์: ชุดสรุปเร่งรัด
สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 10 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)
การไหลในช่องเปิด (แมนนิง)
- สมการแมนนิง
- V = (1/n)·R2/3·S1/2
- อัตราการไหล
- Q = A·V
- รัศมีไฮดรอลิก
- R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
- สี่เหลี่ยมผืนผ้า
- A = b·y, P = b + 2y
- สี่เหลี่ยมคางหมู (ความลาดข้าง z:1)
- A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
- ท่อกลม เต็มหรือครึ่งท่อ
- R = D/4
- ความลาดชันที่ต้องการ
- S = (n·Q/(A·R2/3))²
2โจทย์ฝึก
1.แรงจากความดันของไหลนิ่งปานกลาง
ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 3 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุน้ำ โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 0.5 m หาแรงลัพธ์จากความดันของไหล F ที่กระทำต่อประตูน้ำ
d = 0.5 mH = 2.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.แรงจากความดันของไหลนิ่งยาก
ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 1 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุกลีเซอรีน โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 4 m หาความลึก ycp ของจุดศูนย์กลางความดันใต้ผิว
d = 4 mH = 2 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
3.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลีปานกลาง
น้ำไหลผ่านท่อแนวนอนที่แคบลงจาก 100 mm เป็น 40 mm ในช่วงกว้างความดันคือ 290 kPa และความเร็วคือ 2.25 m/s ไม่คิดการสูญเสีย หาความดัน p2 ในช่วงแคบ
d1 = 100 mmd2 = 40 mmp1 = 290 kPav1 = 2.25 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
4.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลียาก
น้ำไหลขึ้นผ่านท่อที่แคบลงจาก 150 mm เป็น 100 mm ขณะที่ยกสูงขึ้น 6 m ที่หน้าตัด 1 ความดันคือ 340 kPa และความเร็วคือ 2.5 m/s ไม่คิดการสูญเสีย หาความดัน p2 ที่หน้าตัด 2
d1 = 150 mmd2 = 100 mmp1 = 340 kPav1 = 2.5 m/sΔz = 6 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียปานกลาง
น้ำไหลด้วยความเร็วเฉลี่ย 0.9 m/s ผ่านท่อยาว 150 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 150 mm ใช้ตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.03 และ g = 9.81 m/s² หาการสูญเสียเฮดจากความเสียดทาน hf
V = 0.9 m/sL = 150 mD = 150 mmf = 0.03g = 9.81 m/s²
hf = m
6.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียยาก
อ่างเก็บน้ำเปิดสองแห่งเชื่อมด้วยท่อยาว 100 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 100 mm และตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.022 ผิวน้ำของอ่างบนสูงกว่าอ่างล่าง 30 m การสูญเสียย่อยคือทางเข้าขอบคม (K = 0.5) ข้องอ 4 ตัว (ตัวละ K = 0.3) วาล์ว (K = 10) และทางออกสู่อ่างล่าง (K = 1.0) ใช้ g = 9.81 m/s² หาอัตราการไหล Q ใน L/s
Δz = 30 mL = 100 mD = 100 mmf = 0.022Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1.0
Q = L/s
7.ปั๊มและกำลังของปั๊มปานกลาง
ปั๊มส่งน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 60 L/s ต้านเฮด 78 m ประสิทธิภาพปั๊มคือ 75% และมอเตอร์ไฟฟ้าที่ขับมีประสิทธิภาพ 88% ใช้ g = 9.81 m/s² หากำลังไฟฟ้า Pel ที่มอเตอร์ดึง ใน kW
Q = 60 L/sH = 78 mηpump = 75%ηmotor = 88%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
8.ปั๊มและกำลังของปั๊มยาก
ปั๊มสูบน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 50 L/s จากอ่างล่างแบบเปิดไปยังถังบนที่ผิวน้ำสูงกว่า 11 m ท่อยาว 600 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 150 mm และตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.015 ส่วนสัมประสิทธิ์การสูญเสียย่อยรวมกันเป็น ΣK = 8 (รวมทางเข้าและทางออกแล้ว) ใช้ g = 9.81 m/s² ประสิทธิภาพปั๊มคือ 72% หากำลังที่เพลา Pshaft ใน kW
Q = 50 L/sΔz = 11 mL = 600 mD = 150 mmf = 0.015ΣK = 8η = 72%
Pshaft = kW
9.การไหลในช่องเปิด (แมนนิง)ปานกลาง
ทางน้ำสี่เหลี่ยมคางหมูคอนกรีตไม่เรียบมีความกว้างก้น 5.5 m และความลาดข้าง 1:1 (แนวนอน:แนวดิ่ง) น้ำไหลสม่ำเสมอลึก 1.6 m แมนนิง n = 0.014 และความลาดชันท้องน้ำ S = 0.002 หาอัตราการไหล Q ใน m³/s
b = 5.5 my = 1.6 mz = 1n = 0.014S = 0.002
Q = m³/s
10.การไหลในช่องเปิด (แมนนิง)ยาก
ทางน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าคอนกรีตไม่เรียบกว้าง 1.5 m ต้องรองรับ 1.3 m³/s ในการไหลสม่ำเสมอที่ความลึก 0.5 m แมนนิง n = 0.014 หาความลาดชันท้องน้ำที่ต้องการ S (ใน m/m)
Q = 1.3 m³/sb = 1.5 my = 0.5 mn = 0.014
S = m/m
3สารละลาย
1.แรงจากความดันของไหลนิ่ง
คำตอบ: F = 128.8 kN
แรงจากความดันของไหลบนพื้นผิวระนาบ: F = ρ·g·yc·A กระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน ycp = yc + Ic/(ycA) ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเซนทรอยด์เสมอ
ความลึกของเซนทรอยด์และพื้นที่
yc = d + H/2 = 0.5 + 2.5/2 = 1.75 m
A = H·b = 2.5·3 = 7.5 m²
แรงลัพธ์
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·1.75·7.5 = 128.8 kN
คำตอบ
F = 128.8 kN
2.แรงจากความดันของไหลนิ่ง
คำตอบ: ycp = 5.067 m
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 = 2·1 = 2 m²
แรงลัพธ์
F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·5·2 = 123.6 kN
จุดศูนย์กลางความดัน
ความดันเพิ่มขึ้นตามความลึก แรงลัพธ์จึงกระทำต่ำกว่าเซนทรอยด์
Ic = b·H³/12 = 1·2³/12 = 0.6667 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 5 + 0.6667/(5·2) = 5.067 m
คำตอบ
ycp = 5.067 m
3.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี
คำตอบ: p2 = 193.7 kPa
ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี: สำหรับของไหลที่อัดตัวไม่ได้ อัตราการไหลเท่ากันทุกหน้าตัด Q = A₁v₁ = A₂v₂ ตามเส้นกระแสที่ไม่มีการสูญเสีย p + ½ρv² + ρgz เป็นค่าคงตัว ดังนั้นตรงที่ของไหลเร็วขึ้นหรืออยู่สูงขึ้น ความดันจะต่ำลง
ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี
คำนวณเป็น Pa แล้วหารด้วย 1000 เพื่อให้ได้ kPa
v2 = v1·(d1/d2)² = 2.25·(100/40)² = 14.06 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.25² − 14.06²)/1000 = −96.35 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 290 + (−96.35) = 193.7 kPa
คำตอบ
p2 = 193.7 kPa
4.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี
คำตอบ: p2 = 268.4 kPa
ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี: สำหรับของไหลที่อัดตัวไม่ได้ อัตราการไหลเท่ากันทุกหน้าตัด Q = A₁v₁ = A₂v₂ ตามเส้นกระแสที่ไม่มีการสูญเสีย p + ½ρv² + ρgz เป็นค่าคงตัว ดังนั้นตรงที่ของไหลเร็วขึ้นหรืออยู่สูงขึ้น ความดันจะต่ำลง
ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี
คำนวณเป็น Pa แล้วหารด้วย 1000 เพื่อให้ได้ kPa
v2 = v1·(d1/d2)² = 2.5·(150/100)² = 5.625 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.5² − 5.625²)/1000 = −12.7 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·6/1000 = 58.86 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 340 + (−12.7) − 58.86 = 268.4 kPa
คำตอบ
p2 = 268.4 kPa
5.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย
คำตอบ: hf = 1.239 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
เฮดความเร็ว
V²/(2g) = 0.9²/(2·9.81) = 0.04128 m
ดาร์ซี–ไวส์บาค
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.03·(150/0.15)·0.9²/(2·9.81) = 1.239 m
คำตอบ
hf = 1.239 m
6.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย
คำตอบ: Q = 32.35 L/s
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
สัมประสิทธิ์การสูญเสีย
f·L/D = 0.022·100/0.1 = 22
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7
สมการพลังงาน
ผิวน้ำทั้งสองเปิดสู่อากาศและแทบจะนิ่ง Δz ทั้งหมดจึงสูญเสียไปในท่อ
30 = (22 + 12.7)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·30/34.7) = 4.119 m/s
อัตราการไหล
Q = V·π·D²/4 = 4.119·0.007854 = 0.03235 m³/s = 32.35 L/s
คำตอบ
Q = 32.35 L/s
7.ปั๊มและกำลังของปั๊ม
คำตอบ: Pel = 69.56 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 = 1000·9.81·0.06·78 = 45.91 kW
กำลังที่เพลา
Pshaft = 45.91/0.75 = 61.21 kW
กำลังไฟฟ้า
Pel = 61.21/0.88 = 69.56 kW
คำตอบ
Pel = 69.56 kW
8.ปั๊มและกำลังของปั๊ม
คำตอบ: Pshaft = 26.4 kW
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 = 0.05/0.01767 = 2.829 m/s
V²/(2g) = 0.408 m
การสูญเสียเฮด
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (60 + 8)·0.408 = 27.75 m
เฮดของปั๊ม
H = Δz + hL = 11 + 27.75 = 38.75 m
กำลังที่เพลา
Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.05·38.75/0.72 = 26.4 kW
คำตอบ
Pshaft = 26.4 kW
9.การไหลในช่องเปิด (แมนนิง)
คำตอบ: Q = 39.44 m³/s
สมการแมนนิง (SI): สำหรับการไหลสม่ำเสมอในทางน้ำเปิด V = (1/n)·R2/3·S1/2 และ Q = A·V โดย n คือสัมประสิทธิ์ความขรุขระ S คือความลาดชันท้องน้ำ (m/m) และ R = A/P คือรัศมีไฮดรอลิก: พื้นที่การไหลหารด้วยเส้นรอบเปียก มีเพียงขอบเขตที่สัมผัสน้ำเท่านั้นที่นับใน P ไม่นับผิวน้ำ สี่เหลี่ยมผืนผ้า: A = b·y, P = b + 2y สี่เหลี่ยมคางหมูที่ความลาดข้าง z:1 (แนวนอน:แนวดิ่ง): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²) ท่อกลมที่ไหลเต็มหรือครึ่งท่อมี R = D/4
เรขาคณิต
A = (b + z·y)·y = (5.5 + 1·1.6)·1.6 = 11.36 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5.5 + 2·1.6·√(1 + 1²) = 10.03 m
R = A/P = 1.133 m
ความเร็ว
V = (1/0.014)·1.1332/3·0.0021/2 = 3.472 m/s
อัตราการไหล
Q = A·V = 11.36·3.472 = 39.44 m³/s
คำตอบ
Q = 39.44 m³/s
10.การไหลในช่องเปิด (แมนนิง)
คำตอบ: S = 0.002932 m/m
สมการแมนนิง (SI): สำหรับการไหลสม่ำเสมอในทางน้ำเปิด V = (1/n)·R2/3·S1/2 และ Q = A·V โดย n คือสัมประสิทธิ์ความขรุขระ S คือความลาดชันท้องน้ำ (m/m) และ R = A/P คือรัศมีไฮดรอลิก: พื้นที่การไหลหารด้วยเส้นรอบเปียก มีเพียงขอบเขตที่สัมผัสน้ำเท่านั้นที่นับใน P ไม่นับผิวน้ำ สี่เหลี่ยมผืนผ้า: A = b·y, P = b + 2y สี่เหลี่ยมคางหมูที่ความลาดข้าง z:1 (แนวนอน:แนวดิ่ง): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²) ท่อกลมที่ไหลเต็มหรือครึ่งท่อมี R = D/4
เรขาคณิต
A = b·y = 1.5·0.5 = 0.75 m²
P = b + 2y = 1.5 + 2·0.5 = 2.5 m
R = A/P = 0.3 m
แก้สมการแมนนิงหา S
S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0.014·1.3/(0.75·0.4481) = 0.05415
S = 0.05415² = 0.002932
คำตอบ
S = 0.002932
นั่นคือท้องน้ำลดลง 2.932 m ต่อกิโลเมตร
ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering