← Back to CoursesStemExpert
StemExpert
Expert · Handboek · 18. Stroming van vloeistoffen en gassen
StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me
StemExpert
E18. Stroming van vloeistoffen en gassen
EExpert · deel E3 · Thermodynamica en stroming

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.

9× uitleg8× uitgewerkt voorbeeld1× proef1× naslag1× verhaal1× het geheel1× code12 opdrachten in het werkboek± 11 lestijden
Een goed totaaldebiet moet ook in vier bruikbare gootstromen terechtkomen.
Een goed totaaldebiet moet ook in vier bruikbare gootstromen terechtkomen.
Na dit hoofdstuk
Uitleg · 18.1

Van een bak vullen naar een behoudswet

1/22

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.

continuïteit voor stationair incompressibel water
Uitgewerkt voorbeeld · 18.2

De vier goten krijgen elk 1,2 L/min

2/22
Een hydraulisch ontwerp stap voor stap.
60 Lvoedingsreservoir12 V-pompverdeelstuk → 4 goten16 mm, 2,5 mhoogte 1,5 mvrije terugloop
De pomp brengt de oplossing naar het hogere open verdeelstuk; de terugloop is vrij.
Gegeven
  • NFT totaal 4,8 L/min, vier gelijke takken; hoofdaanvoer binnendiameter 16 mm.
Gevraagd
  • Debiet per goot, hoofdsnelheid en doorlooptijd in 2,5 m slang.
Oplossing
  1. 1
    4,8 L/min = 8,0·10⁻⁵ m³/s. Per goot 1,2 L/min = 20 mL/s.
  2. 2
    A = π·0,016²/4 = 2,011·10⁻⁴ m². v = Q/A = 0,398 m/s.
  3. 3
    Doorlooptijd voor een vloeistofdeeltje in de volledig gevulde slang: 2,5/v = 6,28 s; slangvolume 0,503 L.
Antwoord
De hoofdleiding vervoert 4,8 L/min met ongeveer 0,40 m/s; elke gelijke goot krijgt een kwart.
Klopt dit? Gelijke takdebieten volgen alleen bij gelijke weerstand en aansluitdruk. Een ongelijk verdeelstuk vraagt inregeling.
Uitleg · 18.3

Bernoulli afleiden uit arbeid en kinetische energie

3/22

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.

druk-, snelheids- en hoogtehoofd
grote doorsnedekeeldiffusorlage snelheid, hogere drukhoge snelheid, lagere druk
De lagere keeldruk is geen extra energiebron: de snelheid is daar groter.
Uitgewerkt voorbeeld · 18.4

Een venturi zonder magische aanzuiging

4/22
Een hydraulisch ontwerp stap voor stap.
Gegeven
  • Water ρ = 1000 kg/m³; horizontaal, D1 = 20 mm, D2 = 10 mm, Q = 6,0 L/min; verliezen voorlopig nul.
Gevraagd
  • Snelheden en drukverschil.
Oplossing
  1. 1
    Q = 1,0·10⁻⁴ m³/s. v1 = Q/(π·0,020²/4) = 0,3183 m/s; v2 = viermaal v1 = 1,2732 m/s.
  2. 2
    Bernoulli: p1−p2 = ρ(v2²−v1²)/2 = 759,9 Pa.
  3. 3
    Een echte venturi verliest energie. Na de diffusor herstelt de druk slechts deels; bij te lage absolute druk kan cavitatie ontstaan.
Antwoord
De drukdaling is circa 0,760 kPa.
Klopt dit? De doorsnede wordt een kwart. Dit betreft een gevulde buis, geen open goot met veranderende diepte.
Uitleg · 18.5

Pomp en verliezen in de energiebalans

5/22

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.

60 Lvoedingsreservoir12 V-pompverdeelstuk → 4 goten16 mm, 2,5 mhoogte 1,5 mvrije terugloop
Een systeemgrens op de vrije oppervlakken voorkomt dubbel tellen van atmosferische druk of leidinghoogte.
Uitleg · 18.6

Viscositeit: schuifspanning door snelheidsverschil

6/22

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.

Viscositeit is geen dichtheidDichtheid bepaalt onder meer drukhoogte; viscositeit bepaalt schuifweerstand en het stromingsregime. Een dichte vloeistof is niet noodzakelijk stroperig.
Uitgewerkt voorbeeld · 18.7

Reynoldsgetal van de hoofdaanvoer

7/22
Een hydraulisch ontwerp stap voor stap.
10210310410510-210-1100ReDarcyfactor flaminairglad turbulent
Het overgangsgebied krijgt bewust geen exacte curve.
Gegeven
  • Water ν = 10⁻⁶ m²/s; D = 16 mm, Q = 4,8 L/min.
Gevraagd
  • Regime en bruikbare Darcyfactor.
Oplossing
  1. 1
    v = 0,398 m/s. Re = vD/ν = 6366.
  2. 2
    In 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.
  3. 3
    Voor gladde turbulent stromende buis gebruiken we Blasius: f = 0,3164·Re⁻¹/⁴ = 0,0354.
Antwoord
De hoofdaanvoer is bij deze rekenwaarde turbulent; f ≈ 0,0354.
Klopt dit? Re is dimensieloos. De laminaire 64/Re zou hier het verlies onderschatten.
Uitleg · 18.8

Poiseuille: de vierde macht van de straal

8/22

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 .

Hagen-Poiseuille

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.

−1,00−0,75−0,50−0,250,000,250,500,751,000,00,51,01,52,0r/Rv / gemiddelde vlaminair ontwikkeld
De wand is stil; op de as is de snelheid tweemaal het gemiddelde.
Uitgewerkt voorbeeld · 18.9

Een capillair: regimecontrole hoort bij de berekening

9/22
Een hydraulisch ontwerp stap voor stap.
Gegeven
  • R = 0,50 mm, L = 1,0 m, Δp = 1000 Pa, μ = 0,001 Pa·s, ρ = 1000 kg/m³.
Gevraagd
  • Debiet, gemiddelde snelheid en geldigheid.
Oplossing
  1. 1
    Q = π·(0,00050)⁴·1000/(8·0,001·1) = 0,0245 mL/s = 1,473 mL/min.
  2. 2
    v = Q/(πR²) = 0,03125 m/s. Re = ρv·2R/μ = 31,25: ruim laminair.
  3. 3
    L/D = 1000. Er is voldoende lengte voor ontwikkeling van het profiel bij een normale ingang.
Antwoord
Q ≈ 1,47 mL/min.
Klopt dit? Halvering van straal maakt Q = 0,0920 mL/min. Dit is een ander regime dan de NFT-aanvoer.
Uitleg · 18.10

Darcy-Weisbach en plaatselijke verliezen

10/22

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.

verlies in meter vloeistofkolom
Uitgewerkt voorbeeld · 18.11

De 16 mm-slang: klein verlies, groot nut

11/22
Een hydraulisch ontwerp stap voor stap.
Gegeven
  • Q = 4,8 L/min, D = 16 mm, L = 2,5 m, K = 2,0; z = 1,5 m.
Gevraagd
  • Pomphoogte en hydraulisch vermogen.
Oplossing
  1. 1
    v = 0,398 m/s, Re = 6366, f = 0,0354.
  2. 2
    hL = (f·2,5/0,016+2)·v²/(2·9,81) = 0,0608 m. De 1,5 m statische hoogte domineert.
  3. 3
    H = 1,5608 m; PH = ρgQH = 1,225 W. Bij 12 W elektrisch is het ketenrendement ongeveer 10 %.
Antwoord
Dit reproduceert de afgeronde 1,56 m uit i11.
Klopt dit? Het debiet moet nog uit het snijpunt volgen; hier is 4,8 L/min een opgelegde ontwerpvraag.
Uitleg · 18.12

Pompcurve en systeemcurve geven één werkpunt

12/22

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 .

0123456789100,00,51,01,52,02,53,03,54,0Q (L/min)opvoerhoogte (m)pomp B (model)16 mm-systeem8 mm-systeem
Dunner slangmateriaal verlaagt het werkpuntdebiet.
Code · 18.13

Werkpunt en vervuiling uit dezelfde functie

13/22

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.

Pythonleidingnet.py42 regelsDownload
# 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
0123456789100,00,51,01,52,02,53,03,54,0Q (L/min)opvoerhoogte (m)pomp Bschoon, K = 2vervuild, K = 20
Vervuiling verlaagt Q zonder dat de pompcurve verandert.
Uitgewerkt voorbeeld · 18.14

Het werkpunt en de takverdeling

14/22
Een hydraulisch ontwerp stap voor stap.
Gegeven
  • Pomp B, slang 16 mm, 2,5 m, K = 2,0, hoogte 1,5 m; 12 W elektrisch.
Gevraagd
  • Werkpunt en rendement.
Oplossing
  1. 1
    Bissectie geeft Q = 4,7975 L/min bij H = 1,5607 m.
  2. 2
    Elke gelijke goot krijgt 1,199 L/min: afgerond de bestaande 1,2.
  3. 3
    PH = 1,224 W; η = PH/12 = 10,20 %. Ook snelheid en verliezen tellen mee in het totale hydraulische vermogen.
Antwoord
4,8 L/min bij 1,56 m blijft bevestigd; 8 mm geeft maar 2,96 L/min.
Klopt dit? De laatste decimalen dienen de reproduceerbaarheid. De modelcurve is onzekerder dan die decimalen; meet het werkpunt.
Uitleg · 18.15

Parallelle takken en ongelijke goten

15/22

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.

parallelle hydraulische paden
Uitgewerkt voorbeeld · 18.16

Eén tak heeft viermaal de weerstand

16/22
Een hydraulisch ontwerp stap voor stap.
Gegeven
  • Vier takken tussen dezelfde drukknopen, coëfficiënten k, k, k en 4k; gemeten totaal 4,8 L/min.
Gevraagd
  • Takverdeling.
Oplossing
  1. 1
    Verhouding 1 : 1 : 1 : 1/2, samen 3,5 delen.
  2. 2
    Elke vrije tak: 4,8/3,5 = 1,371 L/min; slechte tak 0,686 L/min.
  3. 3
    De som blijft 4,8 L/min. De laatste tak krijgt ongeveer 43 % minder dan de doelwaarde.
Antwoord
Een goed totaal verbergt een slechte tak.
Klopt dit? Het totaal is hier opgelegd als meting. In een echt pompnet kan het zelf mee veranderen.
Uitleg · 18.17

Cavitatie: absolute druk en temperatuur tellen

17/22

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.

Een maximale druk is geen bedrijfspuntDe sproeiers van e08 vragen 2,0 bar aan de spuitmond én debiet. Een pomp die 2 bar bij gesloten uitlaat haalt, is daarvoor nog niet geschikt.
Uitgewerkt voorbeeld · 18.18

Vier sproeiers vragen druk én water

18/22
Een hydraulisch ontwerp stap voor stap.
Gegeven
  • Vier sproeiers van 3,58 L/min bij 2,0 bar; extra leiding- en hoogteverlies 0,30 bar; ηketen = 0,45 als rekenwaarde.
Gevraagd
  • Elektrische rekenondergrens.
Oplossing
  1. 1
    Q = 14,32 L/min = 2,387·10⁻⁴ m³/s. Pompdruk 2,30·10⁵ Pa.
  2. 2
    PH = ΔpQ = 54,89 W. P elektrisch = 54,89/0,45 = 121,99 W.
  3. 3
    Een pompcurve moet 14,32 L/min bij 2,30 bar ondersteunen. Een 0,75 kW-naamplaat is op zichzelf geen garantie van dit werkpunt.
Antwoord
Circa 122 W elektrisch als rekenondergrens.
Klopt dit? De 500 L-drinkwatertank wordt niet aan het regenwatersproeinet gekoppeld. Waterkwaliteit en terugstroombeveiliging horen bij de systeemkeuze.
Proef · 18.19

Een pompcurve meten op 12 V

19/22
Onderzoeksvraag
Een volumemeting en drukmeting leggen samen de bedrijfstoestand vast.
Materiaal
  • gezekerde 12 V-pomp
  • reservoir en opvangbak
  • regelventiel na de pomp
  • manometer
  • maatbak
  • stopwatch
  • stroommeter
VeiligheidVolg de pomphandleiding: niet langdurig blokkeren of droog laten lopen, geen druk boven slanglimiet. Alleen laagspanning en gezekerde voeding.
0123456789100,00,51,01,52,02,53,03,54,0Q (L/min)opvoerhoogte (m)pomp B (model)16 mm-systeem8 mm-systeem
De modelrechte wordt in de proef vervangen door eigen meetpunten.
Werkwijze
  1. 1Vul en ontlucht; leg droge elektrische aansluitingen hoger dan het water.
  2. 2Meet bij vijf ventielstanden volume en tijd en gelijktijdig hoogte of druk.
  3. 3Registreer U en I; bereken PH en η. Herhaal het middenpunt.
  4. 4Teken een QH-grafiek met foutbalken. Vergelijk met de berekende systeemcurve.
  5. 5Verander slangdiameter en meet het nieuwe werkpunt bij hetzelfde niveau.
Waarneming
Knijpen verlaagt Q en verhoogt doorgaans de geleverde pomphoogte. De dunnere slang geeft minder debiet.
Verklaring
Je verandert systeemweerstand, zodat de pomp een ander snijpunt zoekt.
Verhaal · 18.20

Een pompingenieur leest ook de aanzuigzijde

20/22

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.

0123456789100,00,51,01,52,02,53,03,54,0Q (L/min)opvoerhoogte (m)pomp Bschoon, K = 2vervuild, K = 20
Vergelijk steeds dezelfde bedrijfstoestand voordat je een dalend debiet als defect aanwijst.
Naslag · 18.21

Hydraulische formules en afspraken

21/22
continuïteit
symboolbetekeniseenheid
volumestroomm³/s
dichtheidkg/m³
Reynolds
symboolbetekeniseenheid
dynamische viscositeitPa·s
kinematische viscositeitm²/s
Darcy en plaatselijk verlies
symboolbetekeniseenheid
Darcyfactor1
verliescoëfficiënt1
pompvermogen
symboolbetekeniseenheid
opvoerhoogtem
vermogenW
Omrekening of modelWaarde
1 L/min1/60000 m³/s
1 bar100000 Pa; ≈10,19 m water
laminair ontwikkeld rondf = 64/Re; vmax = 2vgem
pomp BH = 3(1−Q/10), Q in L/min
Het geheel · 18.22

Het geheel: water, warmte en voeding

22/22

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.

Habitat

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.

Samenvatting

In het kort

Begrippen

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.
Aan de slag in het werkboek12 opdrachten, van oefenen tot uitdagen