流体工学の問題

円形断面の水平な管の中を水が満たして定常に流れている。管は途中で内径 $100\mathrm{mm}$ の部分 1 から内径 $50\mathrm{mm}$ の部分 2 へ細くなっている。部分 1 での断面平均流速は $1.5m/s$ である。水は非圧縮性（密度が一定）とし、管の途中で水の出入りはないものとする。

部分 2 での断面平均流速は何 $m/s$ か。正確な値（整数）で答えよ。

内径 $20\mathrm{mm}$ の円管の中を、動粘性係数 $\nu =1.0\times 10^{-6}{\mathrm{m}}^2/s$ の水が満たして定常に流れている。管内の流れのレイノルズ数を、断面平均流速 $V$ と管の内径 $D$ を用いて $Re=\frac{VD}{\nu }$ で定め、臨界レイノルズ数を $2300$ とする（$Re<2300$ のとき層流とする）。

流れが層流を保つための断面平均流速の上限（$Re=2300$ となる流速）は何 $m/s$ か。正確な値（有限小数）で答えよ。

ノズルから大気中に水平に噴き出した断面積 $5.0\times 10^{-4}{\mathrm{m}}^2$、流速 $20m/s$ の水の噴流が、噴流の向きに垂直に置かれた固定平板に当たっている。噴流は平板に沿って四方に広がり、平板を離れるときの流れは平板に平行（噴流のもとの向きの速度成分は $0$）とする。水の密度は $1000kg/{\mathrm{m}}^3$ とし、重力・摩擦の影響は無視し、噴流のまわりの圧力はどこでも大気圧とする。流れは定常とする。

噴流が平板に及ぼす力の大きさは何 $\mathrm{N}$ か。整数で答えよ。

内径 $D=0.10\mathrm{m}$、長さ $L=50\mathrm{m}$ のまっすぐな円管の途中に弁が 1 個あり、管内を水が断面平均流速 $v=1.4m/s$ で定常に流れている。管摩擦係数は $\lambda =0.020$、弁の損失係数は $\zeta =5.0$ とし、重力加速度の大きさは $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。管摩擦損失はダルシー・ワイスバッハの式 $h_f=\lambda \frac{L}{D}\frac{v^2}{2g}$、弁の損失は $h_v=\zeta \frac{v^2}{2g}$ で表されるものとし、これ以外の損失は考えない。

この管路全体の損失ヘッド $h_f+h_v$ は何 $\mathrm{m}$ か。正確な値（有限小数）で答えよ。

ポンプを使って、下の水槽の水を上の水槽へ流量 $Q=0.030{\mathrm{m}}^3/s$ で送る。2 つの水槽の水面はどちらも大気圧にさらされており、水面の高さの差（実揚程）は $18\mathrm{m}$ である。管路全体の損失ヘッドの合計は $2.0\mathrm{m}$ とし、水槽は十分大きく水面での流速は無視できるものとする。水の密度を $\rho =1.0\times 10^{3}kg/{\mathrm{m}}^3$、重力加速度の大きさを $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$、ポンプの効率を $\eta =0.70$ とする。

このポンプを運転するのに必要な軸動力は何 W か。整数で求めよ。