วิศวกรรมชลศาสตร์: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 10 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

แรงจากความดันของไหลนิ่ง

ความดันที่ความลึกหนึ่ง
p = ρgh
แรงที่กระทำต่อผนังแนวดิ่ง
F = ρg·hc·A
จุดศูนย์กลางความดัน
yp = yc + Ic/(ycA)
สี่เหลี่ยมผืนผ้า
Ic = bH³/12

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
ประตูน้ำd = 1.5 mH = 2 m

ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 3 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุน้ำ โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 1.5 m หาแรงลัพธ์จากความดันของไหล F ที่กระทำต่อประตูน้ำ

d = 1.5 mH = 2 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.แรงจากความดันของไหลนิ่งยาก
ประตูน้ำd = 4 mH = 2.5 m

ประตูน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวดิ่งกว้าง 1.5 m อยู่ที่ผนังถังที่บรรจุน้ำมัน โดยขอบบนอยู่ต่ำกว่าผิว 4 m หาแรงลัพธ์จากความดันของไหล F ที่กระทำต่อประตูน้ำ

d = 4 mH = 2.5 mb = 1.5 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
3.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลีปานกลาง
d1​ = 150 mmd2​ = 100 mm12p1​ − p2​ = 20 kPaQ = ?

น้ำไหลผ่านเวนจูรีมิเตอร์แนวนอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางทางเข้า 150 mm และเส้นผ่านศูนย์กลางคอคอด 100 mm ความดันที่ทางเข้าสูงกว่าที่คอคอด 20 kPa ไม่คิดการสูญเสีย จงหาอัตราการไหล Q

d1 = 150 mmd2 = 100 mmp1 − p2 = 20 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
4.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลียาก
12d1​ = 150 mm, p1​ = 320 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?Δz = 2 m

น้ำไหลขึ้นผ่านท่อที่แคบลงจาก 150 mm เป็น 75 mm ขณะที่ยกสูงขึ้น 2 m ที่หน้าตัด 1 ความดันคือ 320 kPa และความเร็วคือ 0.5 m/s ไม่คิดการสูญเสีย หาความดัน p2 ที่หน้าตัด 2

d1 = 150 mmd2 = 75 mmp1 = 320 kPav1 = 0.5 m/sΔz = 2 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียปานกลาง
V = 0.9 m/sD = 100 mmL = 400 mf = 0.025

น้ำไหลด้วยความเร็วเฉลี่ย 0.9 m/s ผ่านท่อยาว 400 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 100 mm ใช้ตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.025 และ g = 9.81 m/s² หาการสูญเสียเฮดจากความเสียดทาน hf

V = 0.9 m/sL = 400 mD = 100 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²
hf = m
6.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียยาก
K = 5ทางออกอิสระH = ?L = 200 m, D = 250 mm, f = 0.0182× ข้องอ (K = 0.3)

ท่อยาว 200 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 250 mm (ตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.018) ต่อจากอ่างเก็บน้ำเปิดและปล่อยน้ำเป็นลำอิสระสู่อากาศ การสูญเสียย่อยคือทางเข้าขอบคม (K = 0.5) ข้องอ 2 ตัว (ตัวละ K = 0.3) และวาล์ว (K = 5) ใช้ g = 9.81 m/s² ผิวอ่างต้องสูงกว่าทางออกของท่อ H เท่าใดเพื่อให้ได้อัตราการไหล 60 L/s

Q = 60 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 5
H = m
7.ปั๊มและกำลังของปั๊มปานกลาง
PQ = 10 L/sH = 36 m

ปั๊มส่งน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 10 L/s ต้านเฮด 36 m ประสิทธิภาพปั๊มคือ 65% และมอเตอร์ไฟฟ้าที่ขับมีประสิทธิภาพ 92% ใช้ g = 9.81 m/s² หากำลังไฟฟ้า Pel ที่มอเตอร์ดึง ใน kW

Q = 10 L/sH = 36 mηpump = 65%ηmotor = 92%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
8.ปั๊มและกำลังของปั๊มยาก
PQ = 60 L/sΔz = 20 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0.02, ΣK = 8

ปั๊มสูบน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 60 L/s จากอ่างล่างแบบเปิดไปยังถังบนที่ผิวน้ำสูงกว่า 20 m ท่อยาว 100 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 200 mm และตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.02 ส่วนสัมประสิทธิ์การสูญเสียย่อยรวมกันเป็น ΣK = 8 (รวมทางเข้าและทางออกแล้ว) ใช้ g = 9.81 m/s² ประสิทธิภาพปั๊มคือ 85% หากำลังที่เพลา Pshaft ใน kW

Q = 60 L/sΔz = 20 mL = 100 mD = 200 mmf = 0.02ΣK = 8η = 85%
Pshaft = kW
9.การไหลในช่องเปิด (แมนนิง)ปานกลาง
b = 5.5 my = 1.1 m1 : 1n = 0.014, S = 0.0005

ทางน้ำสี่เหลี่ยมคางหมูคอนกรีตไม่เรียบมีความกว้างก้น 5.5 m และความลาดข้าง 1:1 (แนวนอน:แนวดิ่ง) น้ำไหลสม่ำเสมอลึก 1.1 m แมนนิง n = 0.014 และความลาดชันท้องน้ำ S = 0.0005 หาอัตราการไหล Q ใน m³/s

b = 5.5 my = 1.1 mz = 1n = 0.014S = 0.0005
Q = m³/s
10.การไหลในช่องเปิด (แมนนิง)ยาก
b = 2.5 my = 0.6 mn = 0.022, Q = 2.6 m³/s

ทางน้ำสี่เหลี่ยมผืนผ้าดินสะอาดกว้าง 2.5 m ต้องรองรับ 2.6 m³/s ในการไหลสม่ำเสมอที่ความลึก 0.6 m แมนนิง n = 0.022 หาความลาดชันท้องน้ำที่ต้องการ S (ใน m/m)

Q = 2.6 m³/sb = 2.5 my = 0.6 mn = 0.022
S = m/m

3สารละลาย

1.แรงจากความดันของไหลนิ่ง

คำตอบ: F = 147.2 kN

แรงจากความดันของไหลบนพื้นผิวระนาบ: F = ρ·g·yc·A กระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน ycp = yc + Ic/(ycA) ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเซนทรอยด์เสมอ

ความลึกของเซนทรอยด์และพื้นที่

yc = d + H/2 = 1.5 + 2/2 = 2.5 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
ประตูน้ำd = 1.5 mH = 2 mF

แรงลัพธ์

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.5·6 = 147.2 kN

คำตอบ

F = 147.2 kN
2.แรงจากความดันของไหลนิ่ง

คำตอบ: F = 170 kN

แรงจากความดันของไหลบนพื้นผิวระนาบ: F = ρ·g·yc·A กระทำที่จุดศูนย์กลางความดัน ycp = yc + Ic/(ycA) ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเซนทรอยด์เสมอ

ความลึกของเซนทรอยด์และพื้นที่

yc = d + H/2 = 4 + 2.5/2 = 5.25 m
A = H·b = 2.5·1.5 = 3.75 m²
ประตูน้ำd = 4 mH = 2.5 mF

แรงลัพธ์

F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·5.25·3.75 = 170 kN

คำตอบ

F = 170 kN
3.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

คำตอบ: Q = 55.45 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.

ความต่อเนื่อง

v1 = v2·(100/150)² = 0.4444·v2

เบอร์นูลลีระหว่างทางเข้ากับคอคอด

ท่ออยู่ในแนวนอน จึงมีเพียงความดันและความเร็วที่เปลี่ยน

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·20000/(1000·(1 − 0.1975))) = 7.06 m/s
v1 = 3.138 m/s

อัตราการไหล

Q = A2·v2 = 0.007854·7.06 = 0.05545 m³/s = 55.45 L/s

คำตอบ

Q = 55.45 L/s
4.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

คำตอบ: p2 = 298.5 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 = 0.5·(150/75)² = 2 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.5² − 2²)/1000 = −1.875 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·2/1000 = 19.62 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 320 + (−1.875) − 19.62 = 298.5 kPa

คำตอบ

p2 = 298.5 kPa
5.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย

คำตอบ: hf = 4.128 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) = 0.025·(400/0.1)·0.9²/(2·9.81) = 4.128 m

คำตอบ

hf = 4.128 m
6.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย

คำตอบ: H = 1.637 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 = 0.06/0.04909 = 1.222 m/s
V²/(2g) = 0.07615 m

สัมประสิทธิ์การสูญเสีย

f·L/D = 0.018·200/0.25 = 14.4
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 = 6.1

สมการพลังงาน

ลำน้ำที่ทางออกยังมีเฮดความเร็ว ไม่ใช่การสูญเสียแต่ต้องจ่ายให้

H = (1 + 14.4 + 6.1)·0.07615 = 1.637 m

คำตอบ

H = 1.637 m
7.ปั๊มและกำลังของปั๊ม

คำตอบ: Pel = 5.906 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 = 1000·9.81·0.01·36 = 3.532 kW

กำลังที่เพลา

Pshaft = 3.532/0.65 = 5.433 kW

กำลังไฟฟ้า

Pel = 5.433/0.92 = 5.906 kW

คำตอบ

Pel = 5.906 kW
8.ปั๊มและกำลังของปั๊ม

คำตอบ: Pshaft = 16.17 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 = 0.06/0.03142 = 1.91 m/s
V²/(2g) = 0.1859 m

การสูญเสียเฮด

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 8)·0.1859 = 3.346 m

เฮดของปั๊ม

H = Δz + hL = 20 + 3.346 = 23.35 m

กำลังที่เพลา

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.06·23.35/0.85 = 16.17 kW

คำตอบ

Pshaft = 16.17 kW
9.การไหลในช่องเปิด (แมนนิง)

คำตอบ: Q = 10.35 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 + 1·1.1)·1.1 = 7.26 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5.5 + 2·1.1·√(1 + 1²) = 8.611 m
R = A/P = 0.8431 m

ความเร็ว

V = (1/0.014)·0.84312/3·0.00051/2 = 1.425 m/s

อัตราการไหล

Q = A·V = 7.26·1.425 = 10.35 m³/s

คำตอบ

Q = 10.35 m³/s
10.การไหลในช่องเปิด (แมนนิง)

คำตอบ: S = 0.004846 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 = 2.5·0.6 = 1.5 m²
P = b + 2y = 2.5 + 2·0.6 = 3.7 m
R = A/P = 0.4054 m

แก้สมการแมนนิงหา S

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0.022·2.6/(1.5·0.5478) = 0.06962
S = 0.06962² = 0.004846

คำตอบ

S = 0.004846

นั่นคือท้องน้ำลดลง 4.846 m ต่อกิโลเมตร

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering