損失を含むベルヌーイの式

大きな水槽の底近くに水平な管がつながれ、管の出口から水が大気中に流出している。水槽の水面と管の出口はともに大気圧 $p_0$ にさらされている。水槽の水面から管の出口までの流れで生じる損失ヘッドの合計は、管内の平均流速を $v$ として
$$h_{\mathrm{loss}}=3\frac{v^2}{2g}$$
で表されるものとする。出口での流速を $v=2.8m/s$ にするには、水面の高さを管の出口の中心より何 m 高くすればよいか。重力加速度の大きさを $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とし、水槽は十分大きく水面の降下速度は無視でき、流れは定常であるとする。また、管の出口での流速は管内の平均流速 $v$ に等しく、断面内で一様とする。答えは小数で求めよ。

大気に開放された下部水槽から、大気に開放された上部水槽へ、ポンプで水を体積流量 $Q=0.040{\mathrm{m}}^3/s$ で送り上げる。上部水槽の水面は下部水槽の水面より $25\mathrm{m}$ 高く、両水槽の水面の高さは一定に保たれている。吸込み管と吐出し管を合わせた管路全体の損失ヘッド（管摩擦や曲がりなどによるもの）は $5.0\mathrm{m}$ である。

ポンプの全効率を $0.80$、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 $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。両水槽の水面での流速は無視できるものとする。このポンプを運転するのに必要な軸動力は何 $\mathrm{W}$ か。整数で答えよ。

ある水力発電所では、上部の貯水池の水面と、水車出口の放水路の水面との高さの差（総落差）が $H_g=80\mathrm{m}$ である。水は体積流量 $Q=2.5{\mathrm{m}}^3/s$ で水圧管を通って水車に流れ込む。貯水池から水車に入るまでの管路（水圧管など）での損失ヘッドの合計は $h_L=5.0\mathrm{m}$ であり、水車出口から放水路水面までの損失や水車出口での速度ヘッドは考えないものとする。水車の効率 ${\eta }_t=0.90$ は、有効落差 $H_g-h_L$ による水動力に対する水車の軸出力の比とする。水車に直結した発電機の効率（軸入力に対する電気出力の比）を ${\eta }_g=0.95$ とし、水車と発電機の間の伝達損失はないものとする。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 $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とし、貯水池と放水路の水面はどちらも大気に開放されていて水面での流速は無視できるものとする。流れは定常で、水は非圧縮とみなす。このとき、発電機の電気出力は何 $\mathrm{kW}$ か。有効数字 3 桁で求めよ。

大気に開放された 2 つの大きな水槽 A, B が、内径 $D=0.10\mathrm{m}$、全長 $L=50\mathrm{m}$ のまっすぐな円管で結ばれており、管の途中には弁が 1 つある。水槽 A の水面は水槽 B の水面より $H=4.0\mathrm{m}$ 高く、水は A から B へ管を満たして定常に流れている。両水槽は十分に大きく、水面の高さは変わらないものとする。

管内の平均流速を $V$ とし、損失ヘッドは次のように表されるものとする。
- 管摩擦による損失: ダルシー・ワイスバッハの式 $h_f=\lambda \frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$、管摩擦係数 $\lambda =0.018$
- 入口（A から管へ）の損失: ${\zeta }_{\mathrm{in}}\frac{V^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{in}}=0.5$
- 弁の損失: ${\zeta }_{\mathrm{v}}\frac{V^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{v}}=1.5$
- 出口（管から B へ）の損失: ${\zeta }_{\mathrm{out}}\frac{V^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{out}}=1.0$

重力加速度の大きさを $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。管内の平均流速 $V$ は何 $m/s$ か。有効数字 2 桁で求めよ。

内径 $D=0.050\mathrm{m}$ で太さが一定の円管の中を、水が満たして平均流速 $V=2.0m/s$ で定常に流れている。水は管上の点 1 から点 2 へ向かって流れている。点 1 から点 2 までの管の長さ（管路に沿った長さ）は $L=40\mathrm{m}$ で、点 2 は点 1 より $5.0\mathrm{m}$ 高い位置にある。点 1 と点 2 の間には、$90^{\circ }$ エルボが 2 個（損失係数はそれぞれ $0.30$）と仕切弁が 1 個（損失係数 $0.20$）ある。

管摩擦係数を $\lambda =0.025$ とし、管摩擦損失水頭はダルシー・ワイスバッハの式 $h_f=\lambda \frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$、局所損失水頭は（損失係数）$\times \frac{V^2}{2g}$ で表されるとする。損失はこれらだけとし、水は非圧縮性とみなす。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 $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。点 1 の圧力（ゲージ圧）が $300\mathrm{kPa}$ のとき、点 2 の圧力（ゲージ圧）は何 $\mathrm{kPa}$ か。有効数字 3 桁で求めよ。

ある小水力発電所では、大気に開放された上部貯水池から水圧管で水を水車に導き、水車を出た水を大気に開放された放水路へ流している。上部貯水池の水面と放水路の水面の高さの差（総落差）は $H_g=80\mathrm{m}$ で、水圧管などでの損失ヘッドの合計は $h_L=6.0\mathrm{m}$ である。水車を通る水の体積流量は $Q=3.0{\mathrm{m}}^3/s$ で、水車の効率は ${\eta }_t=0.90$、水車に直結した発電機の効率は ${\eta }_g=0.95$ である。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 $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とし、両水面の高さは変わらず、両水面での水の速さは無視できるものとする。発電機の電気出力は何 MW か。有効数字 2 桁で求めよ。

内径が一定の $D=0.10\mathrm{m}$ の円管の中を、水が満たして断面平均流速 $V=2.0m/s$ で定常に流れている。水は管路上の点 1 から点 2 へ向かって流れ、その間に管に沿って長さ $L=200\mathrm{m}$ を流れる。点 2 は点 1 より $10\mathrm{m}$ 高い位置にある。点 1 と点 2 の間には、損失係数 $K=0.90$ のエルボが 2 個と、損失係数 $K=0.20$ の全開の弁が 1 個ある。管摩擦係数を $f=0.020$（ダルシー・ワイスバッハの式 $h_f=f\frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$ の係数）とし、局所損失ヘッドは $K\frac{V^2}{2g}$ で表されるものとする。局所損失は管長 $L$ による管摩擦損失とは別に加え、損失はこれらだけとする。水は非圧縮性とみなし、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 $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。点 1 での圧力（ゲージ圧）が $300\mathrm{kPa}$ のとき、点 2 での圧力（ゲージ圧）は何 kPa か。有効数字 3 桁で求めよ。

大気に開放された大きな水槽から、内径 $D=0.10\mathrm{m}$、全長 $L=25\mathrm{m}$ の太さが一定の円管（サイフォン管）で水を汲み出す。管の出口は、水槽の水面より $H=3.5\mathrm{m}$ 低い位置にあり、水は出口から管と同じ断面のまま大気中へ自由噴流として流れ出る。管内は水で満たされ、流れは定常である。

管路の途中には、管路で最も高い点 C がある。管の入口から点 C までの管に沿った長さは $L_1=8.0\mathrm{m}$ である。損失は次のものだけを考える。
- 管摩擦損失：管摩擦係数 $f=0.020$ のダルシー・ワイスバッハの式 $h_f=f\frac{l}{D}\frac{V^2}{2g}$（$l$ は管の長さ、$V$ は断面平均流速）
- 入口損失：損失係数 $K_{\mathrm{in}}=0.50$
- 曲がり部の損失：管路には曲がり部が 2 か所あり、それぞれ損失係数 $K_b=0.25$。そのうち 1 か所は入口と点 C の間に、もう 1 か所は点 C と出口の間にある

局所損失はいずれも $K\frac{V^2}{2g}$ で表されるとする。大気圧を $p_a=1.013\times 10^5\mathrm{Pa}$、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 $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とし、断面内の速度分布の影響（運動エネルギー補正係数）は無視して $1$ とする。

空気の分離やキャビテーションを防ぐため、点 C の絶対圧力を $p_{\min }=3.0\times 10^4\mathrm{Pa}$ 以上に保ちたい。点 C を水槽の水面から最大で何 m の高さまで上げることができるか。有効数字 2 桁で求めよ。

大気に開放された大きな水槽の底近くの側面に、内径 $D=0.050\mathrm{m}$、全長 $L=20\mathrm{m}$ の円管が取り付けられ、水が管の出口から大気中へ噴き出している。管の出口は水槽の水面より $6.0\mathrm{m}$ 低い位置にある。水槽は十分大きく、水面の高さは変わらず、水面での流速は無視できるものとする。流れは定常とする。

管の途中には $90^{\circ }$ エルボが 2 個と弁が 1 個ある。管内の平均流速を $v$、重力加速度の大きさを $g$ として、各損失ヘッドは次のとおりとする。
- 管摩擦損失（ダルシー・ワイスバッハの式）: $h_f=\lambda \frac{L}{D}\frac{v^2}{2g}$、管摩擦係数 $\lambda =0.025$
- 管入口の損失: ${\zeta }_{\mathrm{in}}\frac{v^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{in}}=0.50$
- エルボ 1 個あたりの損失: ${\zeta }_{\mathrm{b}}\frac{v^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{b}}=0.30$
- 弁の損失: ${\zeta }_{\mathrm{v}}\frac{v^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{v}}=1.9$

これら以外の損失は無視し、出口から噴き出す噴流の圧力は大気圧に等しいとする。$g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。このとき、管を流れる水の体積流量は何 $L/s$ か。有効数字 3 桁で求めよ。

小水力発電所で、大気に開放された大きな貯水池から、内径 $D=1.0\mathrm{m}$、全長 $L=300\mathrm{m}$ のまっすぐな水圧管を通して水車へ水を導き、水車を出た水は大気に開放された大きな放水路の水槽へ放流される。貯水池の水面は放水路の水面より $H_g=80\mathrm{m}$ 高く、両水面の高さは変わらないとする。体積流量は $Q=2.0{\mathrm{m}}^3/s$ で定常である。

管路の損失として次の 3 つだけを考える。
- 水圧管の管摩擦損失（管摩擦係数 $\lambda =0.020$、ダルシー・ワイスバッハの式 $h_f=\lambda \frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$ を用いる）
- 貯水池から水圧管への入口損失（損失係数 $0.50$）
- 水車の出口側の管（内径は $D$ と同じ）から放水路水槽への出口損失（損失係数 $1.0$）

ここで $V$ は管内の平均流速である。水車の効率を $0.90$、水車に直結した発電機の効率を $0.95$ とし、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 $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。

発電機の電気出力は何 $\mathrm{MW}$ か。有効数字 3 桁で求めよ。

大気に開放された下部水槽から、大気に開放された上部水槽へ、遠心ポンプで水を送り上げる。上部水槽の水面は下部水槽の水面より $20\mathrm{m}$ 高い。両水槽は十分に大きく、水面の高さは一定で、水面での流速は無視できる。

配管は内径 $D=0.10\mathrm{m}$、全長 $L=100\mathrm{m}$（吸込み側と吐出し側の合計）の円管で、管摩擦係数は $\lambda =0.025$ とする。局所損失係数は、管入口が $0.5$、弁と曲がりの合計が $3.5$、管出口（上部水槽への流出）が $1.0$ である。各損失ヘッドは、管内の断面平均流速 $V$ を用いて「損失係数 $\times V^2/(2g)$」で表され、管摩擦損失は $\lambda \frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$ で表されるものとする。

このポンプの全揚程 $H[\mathrm{m}]$ と体積流量 $Q[{\mathrm{m}}^3/s]$ の関係（性能曲線）は
$$H=45-5000Q^2$$
で与えられ、運転点でのポンプ効率は $0.75$ である。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 $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とし、流れは定常とする。

この配管系でポンプを運転したときのポンプの軸動力は何 $\mathrm{kW}$ か。有効数字 2 桁で求めよ。

大気に開放された大きな貯水池から、内径 $D=0.50\mathrm{m}$、長さ $L=1500\mathrm{m}$ のまっすぐな円管（水圧管）で水を導きます。管の末端には出口直径 $d$ のノズルがあり、そこから大気中に噴出する水の噴流がペルトン水車のバケットに当たります。貯水池の水面はノズル出口より $H_g=300\mathrm{m}$ 高いとします。ノズルの直径 $d$（$0<d<D$）と水車の回転数（バケットの周速度 $u$）は自由に選べます。次の条件のもとで、水車の軸出力の最大値を求めてください。答えは $\mathrm{MW}$ 単位で、有効数字 3 桁で答えてください。

• 流れは定常で、水は非圧縮性とみなします。水の密度は $\rho =1000kg/{\mathrm{m}}^3$、重力加速度の大きさは $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とします。
• 水圧管の損失は管摩擦損失だけを考えます。管摩擦係数は $\lambda =0.020$ で、流量によらず一定とします。管入口・ノズルなどの局所損失は無視します。ノズル出口での噴流の速さは一様とします。
• 噴流の向きはバケットの運動方向と一致します。バケットに対する水の相対速度の向きはバケットにより $\beta =165^{\circ }$ だけ曲げられ、その大きさは入口での相対速度の大きさの $k=0.90$ 倍になります。噴流の流量はすべてバケットに作用するものとします。
• 水車の機械効率（バケットが水から受け取る動力に対する軸出力の比）は ${\eta }_m=0.96$ で一定とします。