Handboek · hoofdstuk 18Stroming van vloeistoffen en gassen
Van continuïteit tot een leidingnet met een werkelijk werkpunt
Een pomp levert geen vast debiet onafhankelijk van de slang. Hoogte, viscositeit, bochten en vervuiling bepalen samen waar ze werkt. Je rekent het netwerk door en controleert of elke NFT-goot voldoende water krijgt.

- Je gebruikt massa- en volumebehoud met een correcte systeemgrens.
- Je leidt Bernoulli af en voegt pomp en verliezen toe.
- Je bepaalt Reynoldsgetal en kiest een geldig drukverliesmodel.
- Je berekent en toetst het snijpunt van pomp- en systeemcurve.
- Je dimensioneert het waternet van Habitat met metingen en onderhoud.
Van een bak vullen naar een behoudswet
Debiet is in m³/s. De doorsnedegemiddelde snelheid voldoet aan ; lokaal is . Gebruik bij een niet-uniform profiel het gemiddelde, niet de pieksnelheid.
Voor een controlevolume geldt . Bij constante dichtheid is de volumebalans dezelfde vorm. Stationair betekent geen massaopstapeling; incompressibel betekent vrijwel constante dichtheid. Dit zijn verschillende aannames.
De vier goten krijgen elk 1,2 L/min
- NFT totaal 4,8 L/min, vier gelijke takken; hoofdaanvoer binnendiameter 16 mm.
- Debiet per goot, hoofdsnelheid en doorlooptijd in 2,5 m slang.
- 14,8 L/min = 8,0·10⁻⁵ m³/s. Per goot 1,2 L/min = 20 mL/s.
- 2A = π·0,016²/4 = 2,011·10⁻⁴ m². v = Q/A = 0,398 m/s.
- 3Doorlooptijd voor een vloeistofdeeltje in de volledig gevulde slang: 2,5/v = 6,28 s; slangvolume 0,503 L.
Bernoulli afleiden uit arbeid en kinetische energie
Volg een klein vloeistofvolume langs een stroomlijn. Druk verricht netto arbeid . Zwaarte-energie verandert met ; kinetische energie met . Zonder dissipatie is arbeid gelijk aan energieverandering.
Delen door geeft . Elk onderdeel heeft dimensie Pa = J/m³. Delen door geeft meter vloeistofkolom. Dit geldt stationair, incompressibel en zonder merkbare wrijving langs dezelfde stroomlijn; bij rotatie kunnen verschillende stroomlijnen andere constanten hebben.
Een venturi zonder magische aanzuiging
- Water ρ = 1000 kg/m³; horizontaal, D1 = 20 mm, D2 = 10 mm, Q = 6,0 L/min; verliezen voorlopig nul.
- Snelheden en drukverschil.
- 1Q = 1,0·10⁻⁴ m³/s. v1 = Q/(π·0,020²/4) = 0,3183 m/s; v2 = viermaal v1 = 1,2732 m/s.
- 2Bernoulli: p1−p2 = ρ(v2²−v1²)/2 = 759,9 Pa.
- 3Een echte venturi verliest energie. Na de diffusor herstelt de druk slechts deels; bij te lage absolute druk kan cavitatie ontstaan.
Pomp en verliezen in de energiebalans
Wrijving zet mechanische energie om in inwendige energie. Die verdwijnt uit de hydraulische hoogtebalans, maar niet uit de eerste hoofdwet. Een pomp voegt toe; een turbine onttrekt ; verlies heet .
Een correctiefactor α vóór kan nodig zijn voor een niet-uniform profiel: α = 2 bij ontwikkeld laminair rond profiel. In onze turbulente voorbeelden gebruiken we α ≈ 1.
Tussen open reservoirs zijn oppervlaktedrukken atmosferisch en oppervlaksnelheden klein. De pomp levert dan hoogteverschil plus verlies. In een gesloten recirculatielus valt de netto geometrische hoogte weg. NFT heeft een open retour en behoudt zijn 1,5 m statische hoogte.
Viscositeit: schuifspanning door snelheidsverschil
Voor een Newtonse vloeistof geldt . Dynamische viscositeit μ heeft eenheid Pa·s; kinematische viscositeit is in m²/s. Aan een gewone wand geldt no-slip: de vloeistof volgt de wandsnelheid.
Water rond 20 °C krijgt hier afgerond , en . Dit zijn rekenwaarden. NIST WebBook geeft toestandafhankelijke eigenschappen; temperatuur en opgeloste stoffen veranderen ze.
Reynoldsgetal van de hoofdaanvoer
- Water ν = 10⁻⁶ m²/s; D = 16 mm, Q = 4,8 L/min.
- Regime en bruikbare Darcyfactor.
- 1v = 0,398 m/s. Re = vD/ν = 6366.
- 2In een ronde buis is Re onder circa 2300 doorgaans laminair; boven circa 4000 doorgaans turbulent. De overgang hangt van verstoringen af. Deze grenzen gelden niet zomaar voor elke geometrie.
- 3Voor gladde turbulent stromende buis gebruiken we Blasius: f = 0,3164·Re⁻¹/⁴ = 0,0354.
Poiseuille: de vierde macht van de straal
Neem een stationaire, volledig ontwikkelde laminaire stroming in een ronde buis. Drukarbeid en viscositeit balanceren. Met en symmetrie op de as volgt . Integreren over cirkelringen geeft .
Een halvering van diameter geeft bij dezelfde druk en lengte 1/16 van het debiet. Dat geldt niet voor turbulent water of een ingang waar het profiel nog ontwikkelt. Poiseuille en Darcy zijn consistent: bij vallen ze samen.
Een capillair: regimecontrole hoort bij de berekening
- R = 0,50 mm, L = 1,0 m, Δp = 1000 Pa, μ = 0,001 Pa·s, ρ = 1000 kg/m³.
- Debiet, gemiddelde snelheid en geldigheid.
- 1Q = π·(0,00050)⁴·1000/(8·0,001·1) = 0,0245 mL/s = 1,473 mL/min.
- 2v = Q/(πR²) = 0,03125 m/s. Re = ρv·2R/μ = 31,25: ruim laminair.
- 3L/D = 1000. Er is voldoende lengte voor ontwikkeling van het profiel bij een normale ingang.
Darcy-Weisbach en plaatselijke verliezen
Voor een rechte buis geldt . De Darcyfactor f is viermaal de Fanningfactor; verwisselen geeft factor vier fout. Laminair is f = 64/Re; turbulent hangt f ook van relatieve ruwheid ε/D af.
Bochten, ventielen, inlaat en uitstroming krijgen termen . Elke K hoort bij haar referentiesnelheid. Een smalle tak heeft niet de hoofdsnelheid. Een filter kan een gemeten Δp(Q) krijgen in plaats van één vaste K.
De 16 mm-slang: klein verlies, groot nut
- Q = 4,8 L/min, D = 16 mm, L = 2,5 m, K = 2,0; z = 1,5 m.
- Pomphoogte en hydraulisch vermogen.
- 1v = 0,398 m/s, Re = 6366, f = 0,0354.
- 2hL = (f·2,5/0,016+2)·v²/(2·9,81) = 0,0608 m. De 1,5 m statische hoogte domineert.
- 3H = 1,5608 m; PH = ρgQH = 1,225 W. Bij 12 W elektrisch is het ketenrendement ongeveer 10 %.
Pompcurve en systeemcurve geven één werkpunt
Bij een centrifugaalpomp daalt de leverbare hoogte gewoonlijk met het debiet. De systeemcurve stijgt door verlies, boven een vaste geometrische en drukhoogte. Hun snijpunt is het werkpunt. Maximumdebiet geldt vaak bij vrijwel nul hoogte, maximumhoogte bij nul debiet; die kan je niet samen gebruiken.
Pomp B uit i11 heeft met Q in L/min en H in m. Dit is een rekencurve, geen fabrikantgarantie. Voor de bestaande slang geldt . Bissectie zoekt het nulpunt van .
Werkpunt en vervuiling uit dezelfde functie
De code bewaart de i11-pompcurve. Het overgangsgebied bevat alleen een numerieke schatting; een kritisch ontwerp in dat gebied vraagt metingen. De berekende werkpunten liggen ruim boven Re = 4000.
# leidingnet.py — rekenpomp uit i11, water bij ongeveer 20 °Cimport mathRHO, NU, G = 1000.0, 1.0e-6, 9.81 def factor(re): if re <= 0: return 0.0 if re <= 2300: return 64 / re turbulent = 0.3164 * re**(-0.25) # gladde leiding, Blasius if re >= 4000: return turbulent w = (re - 2300) / 1700 # alleen schatting in overgangsgebied return (1-w)*64/re + w*turbulent def verlies(q, D=0.016, L=2.5, K=2.0): v = (q / 60000) / (math.pi*D*D/4) re = v*D/NU return (factor(re)*L/D + K)*v*v/(2*G) def pomp(q): return 3.0 * (1-q/10.0) def werkpunt(D=0.016, L=2.5, K=2.0, z=1.5): lo, hi = 0.0, 10.0 for _ in range(70): q = (lo+hi)/2 if pomp(q) > z + verlies(q,D,L,K): lo = q else: hi = q q = (lo+hi)/2 return q, pomp(q) for d in (0.008, 0.010, 0.013, 0.016): q,h = werkpunt(D=d) v = q/60000/(math.pi*d*d/4) print(f"D={d*1000:2.0f} mm: Q={q:.3f} L/min, H={h:.3f} m, Re={v*d/NU:.0f}")q,h = werkpunt()ph = RHO*G*q/60000*hprint(f"hydraulisch {ph:.3f} W, elektrisch 12 W: rendement {100*ph/12:.2f} %")print(f"met extra filter K=20: {werkpunt(K=20)[0]:.3f} L/min")D= 8 mm: Q=2.957 L/min, H=2.113 m, Re=7844 D=10 mm: Q=3.837 L/min, H=1.849 m, Re=8142 D=13 mm: Q=4.529 L/min, H=1.641 m, Re=7394 D=16 mm: Q=4.798 L/min, H=1.561 m, Re=6363 hydraulisch 1.224 W, elektrisch 12 W: rendement 10.20 % met extra filter K=20: 4.416 L/min
Het werkpunt en de takverdeling
- Pomp B, slang 16 mm, 2,5 m, K = 2,0, hoogte 1,5 m; 12 W elektrisch.
- Werkpunt en rendement.
- 1Bissectie geeft Q = 4,7975 L/min bij H = 1,5607 m.
- 2Elke gelijke goot krijgt 1,199 L/min: afgerond de bestaande 1,2.
- 3PH = 1,224 W; η = PH/12 = 10,20 %. Ook snelheid en verliezen tellen mee in het totale hydraulische vermogen.
Parallelle takken en ongelijke goten
Een verdeelstuk voldoet aan . Takken tussen dezelfde drukknopen hebben dezelfde drukval; hun debiet volgt uit hun weerstand. Bij kwadratisch verlies geldt .
Vier gelijke goten met gelijke toevoerslangen kunnen 1,2 L/min delen. Een langer slangetje of gedeeltelijke verstopping kan de verdeling scheeftrekken zonder groot effect op totaal Q. Meet daarom elke uitloop. Een retour met te weinig open capaciteit stuwt water op.
Eén tak heeft viermaal de weerstand
- Vier takken tussen dezelfde drukknopen, coëfficiënten k, k, k en 4k; gemeten totaal 4,8 L/min.
- Takverdeling.
- 1Verhouding 1 : 1 : 1 : 1/2, samen 3,5 delen.
- 2Elke vrije tak: 4,8/3,5 = 1,371 L/min; slechte tak 0,686 L/min.
- 3De som blijft 4,8 L/min. De laatste tak krijgt ongeveer 43 % minder dan de doelwaarde.
Cavitatie: absolute druk en temperatuur tellen
Onder de lokale dampdruk ontstaan dampbellen; bij terugkeer naar hogere druk klappen ze in. Dat kan erosie, geluid en prestatieverlies geven. De beschikbare netto aanzuighoogte NPSHa moet daarom boven de pompspecifieke NPSHr plus marge blijven.
Een warmer vloeistof verhoogt dampdruk; een smalle aanzuiging vergroot verlies. Gebruik absolute druk. Grundfos beschrijft de NPSH-curve. De vereiste waarde is geen algemene constante.
Een ondergedompelde pomp kan nog drooglopen bij laag niveau. De vlotter is een afzonderlijke hardwaregrens. De 0,75 kW-sanitaire drukpomp is een ander circuit dan de NFT-pomp; houd drink- en regenwater gescheiden.
Vier sproeiers vragen druk én water
- Vier sproeiers van 3,58 L/min bij 2,0 bar; extra leiding- en hoogteverlies 0,30 bar; ηketen = 0,45 als rekenwaarde.
- Elektrische rekenondergrens.
- 1Q = 14,32 L/min = 2,387·10⁻⁴ m³/s. Pompdruk 2,30·10⁵ Pa.
- 2PH = ΔpQ = 54,89 W. P elektrisch = 54,89/0,45 = 121,99 W.
- 3Een pompcurve moet 14,32 L/min bij 2,30 bar ondersteunen. Een 0,75 kW-naamplaat is op zichzelf geen garantie van dit werkpunt.
Een pompcurve meten op 12 V
- gezekerde 12 V-pomp
- reservoir en opvangbak
- regelventiel na de pomp
- manometer
- maatbak
- stopwatch
- stroommeter
- 1Vul en ontlucht; leg droge elektrische aansluitingen hoger dan het water.
- 2Meet bij vijf ventielstanden volume en tijd en gelijktijdig hoogte of druk.
- 3Registreer U en I; bereken PH en η. Herhaal het middenpunt.
- 4Teken een QH-grafiek met foutbalken. Vergelijk met de berekende systeemcurve.
- 5Verander slangdiameter en meet het nieuwe werkpunt bij hetzelfde niveau.
Een pompingenieur leest ook de aanzuigzijde
Een pomp kan het berekende QH-werkpunt halen en toch door warm water of een te lage aanzuigdruk caviteren. Fabrikanten geven daarom ook rendement, opgenomen vermogen en NPSHr. De fabrikantcursus over pompcurven toont welke informatie bij een bedrijfspunt hoort.
Voor Habitat wordt dat een onderhoudslog met tankniveau, uitloopdebieten, filterdrukval, water- en motortemperatuur. Een dalend debiet kan een verstopping zijn; harder sturen maskeert die soms tijdelijk. Een bereikbaar filter en reservepomp kunnen bij een afgelegen station belangrijker zijn dan enkele procentpunten toprendement.
Hydraulische formules en afspraken
| symbool | betekenis | eenheid |
|---|---|---|
| volumestroom | m³/s | |
| dichtheid | kg/m³ |
| symbool | betekenis | eenheid |
|---|---|---|
| dynamische viscositeit | Pa·s | |
| kinematische viscositeit | m²/s |
| symbool | betekenis | eenheid |
|---|---|---|
| Darcyfactor | 1 | |
| verliescoëfficiënt | 1 |
| symbool | betekenis | eenheid |
|---|---|---|
| opvoerhoogte | m | |
| vermogen | W |
| Omrekening of model | Waarde |
|---|---|
| 1 L/min | 1/60000 m³/s |
| 1 bar | 100000 Pa; ≈10,19 m water |
| laminair ontwikkeld rond | f = 64/Re; vmax = 2vgem |
| pomp B | H = 3(1−Q/10), Q in L/min |
Het geheel: water, warmte en voeding
i11 leverde de leidingkeuze; hier is de stromingsrekening uitgewerkt. e14 verbindt continuïteit met ventilatie, e17 met convectie, e24 met elektrisch pompvermogen. De Pi kan druk en debiet samen gebruiken om een filterverstopping te herkennen.
Bestaand reservoir, pomp en 16 mm-aanvoer.
Druk en debiet aan sproeiers.
Stroming bepaalt convectie.
Meetwaarden combineren tot diagnose.
NFT blijft 4,8 L/min bij 1,56 m, met 16 mm binnendiameter, 2,5 m aanvoer en K = 2 als schone rekenwaarde; vier goten elk 1,2 L/min. Het K = 20-scenario geeft 4,42 L/min en is een diagnosevoorbeeld, geen nieuwe biologische grens. De 500 L-drinkwatertank en 0,75 kW-drukpomp blijven gescheiden van de 12 V-NFT-pomp.
In het kort
- Continuïteit bewaart massa; incompressibel water voldoet aan Q = Av.
- Bernoulli bewaart mechanische energie onder expliciete aannames; pompen voegen energie toe en wrijving zet ze om in warmte.
- Reynolds bepaalt mede het regime; Poiseuille vraagt laminaire ontwikkelde buisstroming.
- Darcyverlies gebruikt de Darcyfactor en correcte lokale referentiesnelheden.
- Het werkpunt komt uit pomp én systeem; toets ook vervuiling en laag niveau.
Wat je nu kent
- volumedebiet
- Volume dat per tijdseenheid een doorsnede passeert.
- opvoerhoogte
- Mechanische energie per gewichtseenheid die een pomp toevoegt.
- Reynoldsgetal
- Dimensieloze verhouding van traagheids- tot viscositeitsinvloed.
- werkpunt
- Debiet en opvoerhoogte waarbij pomp en leiding dezelfde hoogte leveren en vragen.
- cavitatie
- Vormen en instorten van dampbellen bij te lage lokale vloeistofdruk.