Гідравліка й гідротехніка: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 10 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачі Назад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Гідростатична сила

Тиск на глибині: p = ρgh
Сила тиску на вертикальну стінку: F = ρg·h_c·A
Центр тиску: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
Прямокутник: I_c = bH³/12

Нерозривність і Бернуллі

Нерозривність: A₁v₁ = A₂v₂
Бернуллі: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
Витрата: Q = A·v
Площа круга: A = πd²/4

Тертя в трубах і втрати напору

Число Рейнольдса: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Режим течії: ламінарний при Re нижче ≈ 2000, турбулентний при Re вище ≈ 4000
Середня швидкість: V = Q/A, A = π·D²/4
Дарсі–Вейсбах: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Місцеві втрати: h_m = ΣK·V²/(2g)
Типові значення K: вхід 0,5, вихід 1,0, коліно 90° ≈ 0,3
Перепад тиску: Δp = ρ·g·h_f
Два відкриті резервуари: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Вільний вихід: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Насоси й потужність насосів

Гідравлічна потужність: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Потужність на валу: P_shaft = P_h/η_pump
Електрична потужність: P_el = P_shaft/η_motor
Напір насоса: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Втрати в системі: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Течія у відкритих каналах (Маннінг)

Формула Маннінга: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
Витрата: Q = A·V
Гідравлічний радіус: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Прямокутник: A = b·y, P = b + 2y
Трапеція (закладання укосу z:1): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Кругла труба, повністю або наполовину заповнена: R = D/4
Потрібний ухил: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

2Задачі для практики

1.Гідростатична силаСередня

Вертикальний прямокутний затвор шириною 2 m розташований у стінці резервуара з рідиною (вода), його верхній край на 0,5 m нижче поверхні. Знайдіть рівнодійну гідростатичну силу F на затвор.

d = 0,5 mH = 1,5 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

2.Гідростатична силаСкладна

Вертикальний прямокутний затвор шириною 3 m розташований у стінці резервуара з рідиною (олія), його верхній край на 1 m нижче поверхні. Знайдіть глибину y_cp центра тиску під поверхнею.

d = 1 mH = 1 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²

y_cp = m

3.Нерозривність і БернулліСередня

Вода витікає з великого відкритого резервуара через гострокромковий отвір діаметром 50 mm. Рівень води підтримують на 4,5 m вище за отвір, коефіцієнт витрати 0,6. Знайдіть витрату Q. Прийміть g = 9,81 m/s².

d = 50 mmh = 4,5 mC_d = 0,6g = 9,81 m/s²

Q = L/s

4.Нерозривність і БернулліСкладна

У закритому резервуарі над водою стиснене повітря з надлишковим тиском 190 kPa. Вода витікає в атмосферу через отвір діаметром 20 mm, розташований на 2,5 m нижче за поверхню води. Нехтуючи втратами, знайдіть швидкість струменя v. Візьміть g = 9,81 m/s².

p_air = 190 kPa (надлишковий)h = 2,5 md = 20 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

v = m/s

5.Тертя в трубах і втрати напоруСередня

Вода тече із середньою швидкістю 3 m/s трубою довжиною 1000 m з внутрішнім діаметром 100 mm. Візьміть коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,025 і g = 9,81 m/s². Знайдіть втрати напору на тертя h_f.

V = 3 m/sL = 1000 mD = 100 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²

h_f = m

6.Тертя в трубах і втрати напоруСкладна

Два відкриті резервуари з’єднані трубою довжиною 150 m з внутрішнім діаметром 150 mm і коефіцієнтом тертя Дарсі f = 0,018. Місцеві втрати: вхід з гострою кромкою (K = 0,5), 2 колін (K = 0,3 кожне), засувка (K = 10) і вихід у нижній резервуар (K = 1,0). Візьміть g = 9,81 m/s². Яка різниця рівнів води Δz між резервуарами дає витрату 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1,0

Δz = m

7.Насоси й потужність насосівСередня

Насос подає 60 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) проти напору 72 m. ККД насоса 85%, а ККД електродвигуна, що його приводить, — 90%. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть електричну потужність P_el, яку споживає двигун, у kW.

Q = 60 L/sH = 72 mη_pump = 85%η_motor = 90%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

8.Насоси й потужність насосівСкладна

Насос перекачує 20 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) з відкритого нижнього резервуара у верхній бак, поверхня води в якому на 17 m вища. Труба довжиною 100 m має внутрішній діаметр 100 mm і коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,02; сума коефіцієнтів місцевих втрат ΣK = 8 (з урахуванням входу й виходу). Візьміть g = 9,81 m/s². ККД насоса 80%. Знайдіть потужність на валу P_shaft у kW.

Q = 20 L/sΔz = 17 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,02ΣK = 8η = 80%

P_shaft = kW

9.Течія у відкритих каналах (Маннінг)Середня

Трапецієподібний канал (ґрунт, укріплений травою) має ширину по дну 5,5 m і закладання укосів 1,5:1 (горизонталь:вертикаль). Вода тече рівномірно з глибиною 1,4 m. n Маннінга = 0,03, ухил дна S = 0,0008. Знайдіть витрату Q у m³/s.

b = 5,5 my = 1,4 mz = 1,5n = 0,03S = 0,0008

Q = m³/s

10.Течія у відкритих каналах (Маннінг)Складна

Трапецієподібний канал (гравій) з шириною по дну 1,5 m і закладанням укосів 1:1 (горизонталь:вертикаль) має пропускати 3,3 m³/s при рівномірній течії з глибиною 1,3 m. n Маннінга = 0,025. Знайдіть потрібний ухил дна S (у m/m).

Q = 3,3 m³/sb = 1,5 my = 1,3 mz = 1n = 0,025

S = m/m

3Розчини

1.Гідростатична сила

Відповідь: F = 36,79 kN

Гідростатична сила на плоску поверхню: F = ρ·g·y_c·A. Вона діє в центрі тиску, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), що завжди лежить нижче центра ваги.

Глибина центра ваги і площа

y_c = d + H/2 = 0,5 + 1,5/2 = 1,25 m

A = H·b = 1,5·2 = 3 m²

Рівнодійна сила

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·1,25·3 = 36,79 kN

Відповідь

F = 36,79 kN

2.Гідростатична сила

Відповідь: y_cp = 1,556 m

Глибина центра ваги і площа

y_c = d + H/2 = 1 + 1/2 = 1,5 m

A = H·b = 1·3 = 3 m²

Рівнодійна сила

F = ρ·g·y_c·A = 880·9,81·1,5·3 = 38,85 kN

Центр тиску

Тиск зростає з глибиною, тож рівнодійна діє нижче центра ваги.

I_c = b·H³/12 = 3·1³/12 = 0,25 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 1,5 + 0,25/(1,5·3) = 1,556 m

Відповідь

y_cp = 1,556 m

3.Нерозривність і Бернуллі

Відповідь: Q = 11,07 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.

Ідеальна швидкість струменя

√(2gh) = √(2·9,81·4,5) = 9,396 m/s

Дійсна витрата

Коефіцієнт витрати враховує стиснення струменя і тертя на кромці.

Q = C_d·A·√(2gh) = 0,6·0,001963·9,396 = 0,01107 m³/s = 11,07 L/s

Відповідь

Q = 11,07 L/s

4.Нерозривність і Бернуллі

Відповідь: v = 20,71 m/s

Рівняння Бернуллі від поверхні до струменя

v = √(2·(190000/1000 + 9,81·2,5)) = 20,71 m/s

Відповідь

v = 20,71 m/s

5.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: h_f = 114,7 m

Течія в трубах: число Рейнольдса Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ відрізняє ламінарну течію (Re нижче приблизно 2000) від турбулентної (вище приблизно 4000). Тертя вздовж труби спричиняє втрати напору за Дарсі–Вейсбахом h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Фітинги, засувки, вхід і вихід додають місцеві втрати h_m = ΣK·V²/(2g). Між двома відкритими поверхнями резервуарів рівняння енергії дає Δz = h_f + h_m, з урахуванням втрат на виході K = 1.

Швидкісний напір

V²/(2g) = 3²/(2·9,81) = 0,4587 m

Дарсі–Вейсбах

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(1000/0,1)·3²/(2·9,81) = 114,7 m

Відповідь

h_f = 114,7 m

6.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: Δz = 7,86 m

Швидкість

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s

V²/(2g) = 0,2611 m

Коефіцієнти втрат

f·L/D = 0,018·150/0,15 = 18

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Сумарні втрати напору

h_f = 18·0,2611 = 4,701 m

h_m = 12,1·0,2611 = 3,16 m

Δz = h_f + h_m = 7,86 m

Відповідь

Δz = 7,86 m

7.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_el = 55,4 kW

Потужність насоса: потужність, передана воді, — це гідравлічна потужність P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Вал має передавати більше, бо насос має втрати: P_shaft = P_h/η_pump, а двигун споживає P_el = P_shaft/η_motor. Напір насоса H випливає з рівняння енергії: геометрична висота підйому + п’єзометричний напір + усі втрати на тертя й місцеві втрати.

Гідравлічна потужність

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·72 = 42,38 kW

Потужність на валу

P_shaft = 42,38/0,85 = 49,86 kW

Електрична потужність

P_el = 49,86/0,9 = 55,4 kW

Відповідь

P_el = 55,4 kW

8.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_shaft = 6,439 kW

Швидкість

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

V²/(2g) = 0,3305 m

Втрати напору

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 8)·0,3305 = 9,254 m

Напір насоса

H = Δz + h_L = 17 + 9,254 = 26,25 m

Потужність на валу

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·26,25/0,8 = 6,439 kW

Відповідь

P_shaft = 6,439 kW

9.Течія у відкритих каналах (Маннінг)

Відповідь: Q = 10,09 m³/s

Формула Маннінга (SI): для рівномірної течії у відкритому каналі V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 і Q = A·V, де n — коефіцієнт шорсткості, S — ухил дна (m/m), R = A/P — гідравлічний радіус: площа живого перерізу, поділена на змочений периметр. У P враховують лише межу, що контактує з водою, а не вільну поверхню. Прямокутник: A = b·y, P = b + 2y. Трапеція з закладанням укосів z:1 (горизонталь:вертикаль): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Кругла труба, заповнена повністю або наполовину, має R = D/4.

Геометрія

A = (b + z·y)·y = (5,5 + 1,5·1,4)·1,4 = 10,64 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 5,5 + 2·1,4·√(1 + 1,5²) = 10,55 m

R = A/P = 1,009 m

Швидкість

V = (1/0,03)·1,009^2/3·0,0008^1/2 = 0,9483 m/s

Витрата

Q = A·V = 10,64·0,9483 = 10,09 m³/s

Відповідь

Q = 10,09 m³/s

10.Течія у відкритих каналах (Маннінг)

Відповідь: S = 0,0008216 m/m

Геометрія

A = (b + z·y)·y = (1,5 + 1·1,3)·1,3 = 3,64 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 1,5 + 2·1,3·√(1 + 1²) = 5,177 m

R = A/P = 0,7031 m

Розв’яжіть формулу Маннінга щодо S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,025·3,3/(3,64·0,7907) = 0,02866

S = 0,02866² = 0,0008216

Відповідь

S = 0,0008216

Це зниження на 0,8216 m на кілометр.

ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering