fluid mechanics rajeevan sir ii-handouts

52
Fluid Mechanics 4/4/2012 Dr. B. Rajeevan 1 2K6CE 404 FLUID MECHANICS II Dr. B. Rajeevan Assistant Professor Department of Civil Engineering Government College of Engineering Kannur Mob: +91 9495 333 088 Email: [email protected] Contact Hours: 4 pm – 5 pm Introduction Requirement – Fluid Mechanics – I Sessional – 50 marks 2 assignments = 2 x 10 = 20 2 tests = 2 x 15 = 30 Total = 50 marks Register for the course at www.gcek.ac.in/moodle 4 April 2012 2 Dr. B. Rajeevan Reference Books 4 April 2012 3 Dr. B. Rajeevan Introduction Transportation of Liquids Closed Conduits – Top Closed Pipes and Tunnels Open Channels – Top Open Streams , Rivers and Canals Flow of Liquids in open channels or closed conduits with free surface is known as free surface flow or open channel flow. 4 April 2012 4 Dr. B. Rajeevan Definitions Open Channel Flow = Free Surface Flow 4 April 2012 5 Dr. B. Rajeevan Definitions Pressurised Flow = Closed Conduit Flow = Pipe Flow 4 April 2012 6 Dr. B. Rajeevan

Upload: shamjith-km

Post on 10-May-2015

373 views

Category:

Engineering


6 download

DESCRIPTION

GCE Kannur

TRANSCRIPT

Page 1: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  1 

2K6CE 404  FLUID MECHANICS ‐ II 

Dr. B. Rajeevan Assistant Professor 

Department of Civil Engineering Government College of Engineering Kannur 

Mob: +91 9495 333 088 E‐mail: [email protected] Contact Hours: 4 pm – 5 pm 

  

Introduction 

• Requirement – Fluid Mechanics – I 

• Sessional – 50 marks 

– 2 assignments = 2 x 10 = 20 

– 2 tests = 2 x 15 = 30 

Total = 50 marks 

 

Register for the course at www.gcek.ac.in/moodle 

 

 

4 April 2012  2 Dr. B. Rajeevan 

Reference Books 

4 April 2012  3 Dr. B. Rajeevan 

Introduction 

• Transportation of Liquids 

– Closed Conduits – Top Closed   

• Pipes and Tunnels 

– Open Channels – Top Open 

• Streams , Rivers and Canals 

Flow of Liquids in open channels or closed conduits with free surface is known as free surface flow or open 

channel flow. 

4 April 2012  4 Dr. B. Rajeevan 

Definitions 

Open Channel Flow = Free Surface Flow 

 

4 April 2012  5 Dr. B. Rajeevan 

Definitions 

Pressurised Flow = Closed Conduit Flow = Pipe Flow 

 

4 April 2012  6 Dr. B. Rajeevan 

Page 2: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  2 

Definitions 

Combined Free Surface and Pressurised Flow 

 

4 April 2012  7 Dr. B. Rajeevan 

Definitions 

Hydraulic Grade Line – HGL 

Energy Grade Line ‐ EGL 

 

4 April 2012  8 Dr. B. Rajeevan 

Classification of Flows 

4 April 2012  9 Dr. B. Rajeevan 

Steady & Unsteady Flows 

Flow velocity  versus  time ‐‐‐ ????? 

 

4 April 2012  10 Dr. B. Rajeevan 

Uniform & Non‐uniform Flows 

  Flow velocity  at any instant of time does not vary within the length of channel 

 

 

  Non‐uniform flow = Varied flow 

 

4 April 2012  11 Dr. B. Rajeevan 

Varied Flow 

Gradually Varied Flow 

Rapidly Varied Flow 

Flow Depth with distance ‐???? 

4 April 2012  12 Dr. B. Rajeevan 

Page 3: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  3 

Laminar & Turbulent Flows 

  Liquid particles move in definite smooth paths     ‐ Viscous force dominates    Liquid particles move in irregular paths     ‐ Inertial force dominates  

Reynolds's Number 

4 April 2012  13 Dr. B. Rajeevan 

Laminar & Turbulent Flows 

  Pipe Flow     L = Pipe Diameter   Open Channel Flow     L = Hydraulic radius or Hydraulic Depth  Hydraulic depth = Flow area/Top surface width Hydraulic radius = Flow area/Wetted perimeter Re= 600 – Laminar to Turbulent in Open Channel Flow 

  

Laminar Free Surface Flow is rare  

4 April 2012  14 Dr. B. Rajeevan 

Subcritical, Supercritical, and Critical Flows 

 

 

 

 Fr= 1 – Critical Flow 

 Fr< 1 – Subcritical Flow 

 Fr> 1 – Supercritical Flow 

   

4 April 2012  15 Dr. B. Rajeevan 

Channels ‐ Terminology 

Channels Natural 

Artificial 

Canal 

Flume 

Chute 

Tunnel 

Culvert 

Long channel with Long channel with mild slope excavated 

in ground 

Channel above ground 

Channel with steep bottom slope 

Channel excavated through hills 

Short channel running partially full 

4 April 2012  16 Dr. B. Rajeevan 

Channels ‐ Terminology 

The depth of flow, y, at a section is the vertical distance of the lowest point of the channel section from the free surface.   The depth of flow section, d, is the depth of flow normal to the direction of flow.   The stage, Z, is the elevation or vertical distance of free surface above a specified datum 

4 April 2012  17 Dr. B. Rajeevan 

Channels ‐ Terminology 

Table 1: Properties of Typical Channel Sections 

4 April 2012  18 Dr. B. Rajeevan 

Page 4: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  4 

Velocity Distribution 

4 April 2012  19 Dr. B. Rajeevan 

Velocity variation with depth 

4 April 2012  20 Dr. B. Rajeevan 

Kinetic Energy Correction Factor V = Instantaneous velocity Vm = Mean velocity 

4 April 2012  21 Dr. B. Rajeevan 

Momentum Correction Factor V = Instantaneous velocity Vm = Mean velocity 

4 April 2012  22 Dr. B. Rajeevan 

Example ‐ 1 

Considering unit width of channel,

4 April 2012  23 Dr. B. Rajeevan 

Example – 1 – cont’d.... 

4 April 2012  24 Dr. B. Rajeevan 

Page 5: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  5 

Example – 1 – cont’d.... 

END 4 April 2012  25 Dr. B. Rajeevan 

Homework  

1. 

2. 

Figure. 

4 April 2012  26 Dr. B. Rajeevan 

Homework  

3.

4.

4 April 2012  27 Dr. B. Rajeevan 

Assignment 1  

4 April 2012  28 Dr. B. Rajeevan 

UNIFORM FLOW 

• Flow depth does not change with length 

• Normal Depth ‐ ???? 

• Component of weight of water cause acceleration 

• Shear stress at boundaries cause deceleration 

• Imbalance between these forces causes non‐uniformity in flow 

 

 4 April 2012  29 Dr. B. Rajeevan 

Uniform and Non‐uniform flows 

4 April 2012  30 Dr. B. Rajeevan 

Page 6: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  6 

Flow Resistance Equations 

• Chezy’s equation 

• Manning’s formula 

4 April 2012  31 Dr. B. Rajeevan 

Chezy’s equation 

Assumptions 

 1) Steady;  

    2) the slope of the channel bottom is small;    

    3) Prismatic. 

4 April 2012  32 Dr. B. Rajeevan 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  33  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  34 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  35 

Resolving all forces in the direction of flow, we get,

Chezy’s equation cont’d... 

DEFINITION SKETCH 

4 April 2012  36 Dr. B. Rajeevan 

Page 7: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  7 

Chezy’s equation cont’d... 

CHEZY FORMULA, 1769 4 April 2012  37 Dr. B. Rajeevan 

Chezy’s equation cont’d... 

Dimension of Chezy’s coefficient, C is L0.5T‐1 

Divide by ‘g’ to make C dimensionless 

4 April 2012  38 Dr. B. Rajeevan 

Darcy‐Weisbach equation 

  Pipe Flow 

    Surface  

      Smooth 

      Transition 

      Rough   

       

 4 April 2012  39 Dr. B. Rajeevan 

Darcy‐Weisbach equation 

  Pipe Flow 

     

       

 

  Moody chart – variation of  

4 April 2012  40 Dr. B. Rajeevan 

Darcy‐Weisbach equation – Open channels 

  Open Channel = Conduit cut into two   

       

 

 

Moody chart – variation of  

4 April 2012  41 Dr. B. Rajeevan 

Manning’s Formula 

Manning’s Formula 

4 April 2012  42 Dr. B. Rajeevan 

shamjith
Sticky Note
what is M1 and Ms
Page 8: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  1 

2K6CE 404  FLUID MECHANICS ‐ II 

Dr. B. Rajeevan Assistant Professor 

Department of Civil Engineering Government College of Engineering Kannur 

Mob: +91 9495 333 088 E‐mail: [email protected] Contact Hours: 4 pm – 5 pm 

  

UNIFORM FLOW 

• Flow depth does not change with length 

• Normal Depth ‐ ???? 

• Component of weight of water cause cancelation 

• Shear stress at boundaries cause deceleration 

• Imbalance between these forces causes non‐uniformity in flow 

 

 4 April 2012  2 Dr. B. Rajeevan 

Uniform and Non‐uniform flows 

4 April 2012  3 Dr. B. Rajeevan 

Flow Resistance Equations 

• Chezy’s equation 

• Manning’s formula 

4 April 2012  4 Dr. B. Rajeevan 

Chezy’s equation 

Assumptions 

 1) Steady;  

    2) the slope of the channel bottom is small;    

    3) Prismatic. 

4 April 2012  5 Dr. B. Rajeevan 

Chezy’s equation cont’d... 

DEFINITION SKETCH 

4 April 2012  6 Dr. B. Rajeevan 

Page 9: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  2 

Chezy’s equation cont’d... 

CHEZY FORMULA, 1769 4 April 2012  7 Dr. B. Rajeevan 

Chezy’s equation cont’d... 

Dimension of Chezy’s coefficient, C is L0.5T‐1 

Divide by     to make C dimensionless 

4 April 2012  8 Dr. B. Rajeevan 

Darcy‐Weisbach equation 

  Pipe Flow 

    Surface  

      Smooth 

      Transition 

      Rough   

       

 4 April 2012  9 Dr. B. Rajeevan 

Darcy‐Weisbach equation 

  Pipe Flow 

     

       

 

  Moody chart – variation of  

4 April 2012  10 Dr. B. Rajeevan 

Darcy‐Weisbach equation – Open channels 

  Open Channel = Conduit cut into two   

       

 

 

Moody chart – variation of  

4 April 2012  11 Dr. B. Rajeevan 

Manning’s Equation 

Manning’s Formula 

4 April 2012  12 Dr. B. Rajeevan 

Page 10: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  3 

Most Economical Channel Section 

• Max Discharge for a given 

– Flow area, A; 

– Resistance coefficient, n 

– Bottom slope, S 

• For a given area, Q is max when V is max 

• V is max when R is max(for a given S and n) 

• R is max when P is min 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  13 

Most Economical Rectangular Channel Section 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  14 

Rectangular channel section is most economical when depth of flow is equal to half the bottom width of hydraulic radius is equal to half the depth of flow. 

Most Economical Trapezoidal Channel Section 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  15 

Half the top width = sloping side length 

Most Economical Trapezoidal Channel Section 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  16 

Hydraulic Radius, R= Half the flow depth 

Most Economical Triangular Channel Section 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  17 

Homework 2.1 

Most Economical Circular Channel Section 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  18 

Condition for Maximum Discharge 

Page 11: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  4 

Most Economical Circular Channel Section 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  19 

Condition for Maximum Discharge 

Most Economical Circular Channel Section 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  20 

Condition for Maximum Discharge 

Most Economical Circular Channel Section 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  21 

Condition for Maximum Mean Velocity of Flow 

Homework 2.2 

Computation of Uniform Flow 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  22 

K = Conveyance of the channel section  When Manning’s formula is used,   Also,  

Section Factor 

Normal Depth, yn 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan 

The depth of flow at which uniform flow is maintained in a channel 

Worked out Examples 

EXAMPLE 1 

An irrigation channel of trapezoidal section, having side slopes 3  

H: 2 V, is to carry a flow of 10 cumecs on a longitudinal slope of 1  

in 5000.  The channel is to be lined for which the value of friction  

coefficient in Mannings’ formula is n = 0.012.  Find the dimensions  

of the most economical section of the channel. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  24 

Page 12: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  5 

Example 1 ‐ Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  25 

Example 1 ‐ Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  26 

For most economical channel Section, 

Also, 

Using Manning’s formula, 

Worked out Examples 

EXAMPLE 2 

  Water flows at a uniform depth of 2 m in a trapezoidal channel having a bottom width 6 m,  side  slopes 2 H: 1 V.    If  it has  to carry  a  discharge  of  65  m3/s,  compute  the  bottom  slope required to be provided.  Take Manning’s n = 0.025. 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  27 

Example 2 ‐ Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  28 

Specific Energy 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  29 

Total Energy per Unit weight 

Specific Energy (E)  of flow at any section is defined as the energy per unit weight of water measured with respect to the channel bottom as the datum. 

Specific Energy 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  30 

Page 13: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  6 

Specific Energy Curve 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  31 

Definitions 

• Critical Depth, 

• Critical Velocity,  

•  Alternate Depths, 

• Subcritical flow or tranquil flow 

• Supercritical flow or rapid flow  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  32 

Critical Depth 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  33 

Condition for Maximum Discharge 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  34 

For a given specific energy the discharge in a given channel section is maximum when the flow is in the critical state. 

Specific Force 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  35 

Specific Force 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  36 

Page 14: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  7 

Minimum Specific Force 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  37 

Critical Flow Computations 

• For Critical Flow, 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  38 

For  , Zc  is a  function of depth of  flow.  Implies, for prismatic channels,  there  is only one depth of  flow, yc, which makes the flow critical.  Since, yc is same at all sections of channel, critical flow in prismatic channels is uniform flow. 

Conclusions – Critical Flow 

• E is minimum for a given Q 

• Q is max for a given E 

• F is min for a given Q 

• Q is max for a given F 

• Velocity head = D/2 

• Fr = 1 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  39 

Critical Flow in Rectangular Channels 

• Bottom Width, B = Top Width, T 

• Let q = discharge per unit width 

– Q = q × B 

• For critical flow, 

•    

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  40 

Critical Flow in Rectangular Channels 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  41 

Discharge Diagram 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  42 

Page 15: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  8 

• Critical Flows in 

– Triangular Channel Section 

– Parabolic Channel Section 

– Trapezoidal Channel Section 

• Application of Specific Energy and Discharge 

Diagrams to Channel Transitions 

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  43 

Exercises 

Example 1 

An earth canal in good condition is 17 m wide at bottom and has side slope 2 H: 1V. One side slope extends to a height of 7.8 m above the bottom level and the other side extends to an elevation of 1.8 m, then extends flat to a distance of 150 m and rises vertically. If the slope of the canal is 0.7 m per 1610 m, estimate the discharge when the depth of water is 2.5 m. Assume Chezy’s C = 35.

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  44 

Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  45 

17 m  150 m 2 

2.5 m 0.7 m 

Exercises 

• Example 2 

  For  a  constant  specific  energy  of  1.8  Nm/N, calculate  the  maximum  discharge  that  may occur in a rectangular channel 5 m wide. 

   

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  46 

Example 2 ‐ Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  47 

Exercises 

• Example 3 

A trapezoidal channel has a bottom width of 6 m and side slopes of 2 H: 1 V. If the depth of flow is 1.2 m at a discharge of 10 m3/s, compute the specific energy and the critical depth.    

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  48 

Page 16: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  9 

Example 3 ‐ Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  49 

For critical Flow, 

Alternative Method Plot depth versus section factor 

Example 3 ‐ Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  50 

Page 17: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  1 

2K6CE 404  FLUID MECHANICS ‐ II 

Dr. B. Rajeevan Assistant Professor 

Department of Civil Engineering Government College of Engineering Kannur 

Mob: +91 9495 333 088 E‐mail: [email protected] Contact Hours: 4 pm – 5 pm 

  

Gradually Varied Flow(GVF) 

• Examples of GVF 

– Flow upstream of river/dam 

– Flow downstream of a sluice gate 

– Flow in channels with break in slopes 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  2 

A steady non‐uniform flow in a prismatic channel with gradual changes in its water surface elevation  

GVF‐Examples 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  3  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  4 

GVF‐Examples 

Assumptions 

• The pressure distribution at any section is hydrostatic 

– A gradual change in surface curvature give rise to negligible normal accelerations. 

• The resistance to flow at any depth is given by corresponding uniform flow equation with slope replaced with energy slope. 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  5 

Assumptions‐cont’d... 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  6 

• The bottom slope of the channel is very small 

• Prismatic 

•  = 1 

• n is independent of depth of flow 

 

 

 

The slope of the channel bottom may be assumed small if it is less than 5 percent. In such  a  case,  sin        tan        ,  in which    =  angle  of  the  channel  bottom with horizontal,  and  the  flow  depths measured  vertically  or  normal  to  the  bottom  are approximately the same. 

Page 18: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  2 

Differential Equation 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  7 

DATUM 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  8 

Wide Rectangular Channel 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  9 

Using Chezy’s Equation 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  10 

For rising water surface 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  11 

For falling water surface 

HOMEWORK 

Classification of Bottom Slopes 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  12 

For a given channel with a known  Q = Discharge,  n = Manning coefficient, and  S0 =Channel bed slope,  

yc = critical water depth and yn = Uniform flow depth can be computed.   There are three possible relations between yn and yc as  

1) yn > yc ,  2) yn < yc , 3)  yn = yc . 

shamjith
Sticky Note
Dynamic equation for GVF
Page 19: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  3 

Classification of Bottom Slopes 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  13 

For horizontal and adverse slope channels, uniform flow depth  

yn does not exist. 

Classification of Bottom Slopes 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  14 

 

 

 

Classification of Bottom Slopes 

• Critical  

• Mild 

• Steep 

• Horizontal 

• Adverse 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  15 

Zones 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  16 

Zones 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  17 

Zones 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  18 

Page 20: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  4 

Zones 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  19 

Water Surface Profiles 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  20 

– M‐curve 

– S‐curve 

– C‐curve 

– H‐curve 

– A‐curve 

Water Surface Profiles 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  21 

Water Surface Profiles 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  22 

12 

Backwater and Drawdown Curves 

• Depth of flow increases in the direction of flow 

(dy/dx is +ve) –  curve (Zone 1 & 3) 

• Depth of flow decreases in the direction of flow 

(dy/dx is ‐ve) –  curve (Zone 2) 

 

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  23 

Equation of GVF  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  24 

Page 21: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  5 

Characteristics of Surface Profiles 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  25 

Characteristics of Surface Profiles 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  26 

Self study 

• Surface Profiles in Critical sloped channels 

• Surface Profiles in Horizontal sloped channels 

• Surface Profiles in Adverse sloped channels 

 

 

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  27 

Example 1 

• Flow  depth  in  a  section  of  the  non‐uniform flow reach of the channel is 2.9 m.  Determine the type of flow profile in the channel. Take yc = 2.63 m and yn = 3.17 m. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  28 

Example 1 ‐ Solution 

• Given, y = 2.9 m ; yc = 2.63 m and yn = 3.17 m. 

• Since yn > yc, slope is mild. 

• Also, yc < y < yn, profile is in Zone 2. 

• Hence it is M2 curve. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  29 

Example 2 

• A rectangular channel with a bottom width of 4  m  and  a  bottom  slope  of  0.0008  has  a discharge  of  1.5 m3/s.    In  a  gradually‐varied flow  in  this  channel,  the  depth  at  a  certain location  is  found  to be 0.3 m.   Assuming n = 0.016, determine the type of GVF profile. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  30 

Page 22: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  6 

Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  31 

Step 1: Determine normal depth, yn  

Step2: Determine critical depth, yc 

Step 3: Compare given y with normal depth and identify the slope. 

Step 4: Compare normal depth and critical depth with given depth 

and determine the type of curve. 

 

Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  32 

Solving by trial and error, 

Critical Depth, 

Type of Profile 

Practical Examples 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  33 

Practical Examples 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  34 

Practical Examples 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  35 

Practical Examples 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  36 

Page 23: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  7 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  37 

Why ? 

• All major hydraulic engineering activities 

• Determination of the effect of a hydraulic 

structure on the channel 

• Inundation of land 

• Estimation of the flood zone 

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  38 

Methods 

• Step Method 

• Graphical Integration Method 

• Direct Integration Method 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  39 

Step Method 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  40 

Step Method 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  41 

Steps 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  42 

Page 24: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  8 

Graphical Integration Method 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  43 

Direct Integration Method – Bresse’s Method 

• Wide rectangular channels 

• Chezy’s equation is used 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  44 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  45  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  46 

Example 1   A rectangular channel 7.5 m wide has a uniform depth of flow 

of  2 m  and  has  a  bed  slope  of  1  in  3000.    If  due  to weir constructed  at  the  downstream  end  of  the  channel, water surface at a section is raised by 0.75 m, determine the water surface  slope  with  respect  to  horizontal  at  this  section.  Assume Manning’s n =0.02. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  47 

7.5 m 

2 m 

Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  48 

Page 25: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  9 

Example 2   A  rectangular  channel  10 m wide  carries  a  discharge  of  30 

cumecs.   It  is  laid at a slope of 0.0001.    If at a section  in this channel  the  depth  is  1.6  m,  how  far  (upstream  or downstream) from the section will the depth be 2.0 m?  Take Manning’s n = 0.015. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  49 

Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  50 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  51 

Self study 

• Direct Integration Method 

Backhmeteff method 

Chow method 

 

 

 

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  52 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  53 

END OF MODULE –II (GVF) 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  54 

Page 26: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  1 

2K6CE 404  FLUID MECHANICS ‐ II 

Dr. B. Rajeevan Assistant Professor 

Department of Civil Engineering Government College of Engineering Kannur 

Mob: +91 9495 333 088 E‐mail: [email protected] Contact Hours: 4 pm – 5 pm 

  

• Stream lines in Uniform flow and GVF are parallel – acceleration negligible – pressure distribution hydrostatic 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  2 

SHALLOW WATER THEORY 

In  Rapidly  varied  flow,  the  sectional  area  of  flow changes  abruptly within  a  short  distance.  Turbulent eddying loss is more important than boundary friction in  this  case. Hydraulic  jump  is  a  typical  example  of rapidly varied flow. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  3 

Rapidly Varied Flow (RVF) 

• Streamlines have sharp curvatures – nonparallel‐Non hydrostatic pressure distribution 

• Flow profile discontinuous due to rapid change of flow depth 

• Analyzed using Boussinesq and Fawer assumptions 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  4 

Assumptions 

• In the Boussinesq assumption, the vertical 

flow velocity is assumed to vary linearly from 

zero at the channel bottom to the maximum 

at the free surface.  

• In the Fawer assumption, this variation is 

assumed to be exponential. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  5 

Assumptions 

• Before and after jump formation flow is uniform 

and pressure distribution is hydrostatic 

• The length of jump is small – loss due to friction 

neglected 

• Component of weight of water along flow 

direction is neglected  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  6 

Page 27: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  2 

Characteristics of RVF 

• Streamlines are not parallel 

• Variation in the cross‐sectional shape and size, due to change in the flow direction 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  7 

Fig. 4.1 Definition sketch for abrupt drop 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  8 

General Equation of Hydraulic Jump 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  9 

General Equation of Hydraulic Jump 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  10 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  11 

Conjugate Depths 

Hydraulic jump in rectangular channels 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  12 

Relation between conjugate depths  

Page 28: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  3 

Hydraulic jump in rectangular channels 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  13 

Hydraulic jump in rectangular channels 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  14 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  15 

Example 1 

• A  horizontal  rectangular  channel  4  m  wide carries a discharge of 16 cumecs.   Determine whether  a  hydraulic  jump  may  occur  at  an initial  depth  of  0.5  m.    If  a  jump  occurs, determine  the  sequent  depth  to  this  initial depth.  Also, determine the energy loss in the jump. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  16 

Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  17 

Example 2 

• In a  rectangular channel  there occurs a  jump corresponding  to               = 2.5.   Determine  the critical  depth  and  head  loss  in  terms  of  the initial depth,  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  18 

Page 29: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  4 

Solution 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  19 

Types of Hydraulic Jump 

• Undular jump 

• Weak jump 

• Oscillating jump 

• Steady jump 

• Strong jump 

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  20 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  21  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  22 

Applications of Hydraulic Jump 

• Dissipation of excess energy 

• Raised water level 

• Increases the weight on apron 

• Increases the discharge through sluices 

• Mixing of chemicals 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  23 

SURGES • Moving wave which makes abrupt changes in depth of flow. 

• Moving Hydraulic Jump 

• Sudden opening and closing of gates 

• Positive or negative 

– Increase or decrease in depth of flow 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  24 

A surge is a moving wave front which results in an abrupt change of the depth of flow. It is a rapidly varied unsteady flow condition. 

Page 30: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  5 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  25 

Positive Surge 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  26 

Definition Sketch  for Surge Movement 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  27 

Consider the movement of a positive surge wave  in x‐direction in an  open channel having an  irregular  cross  section as    shown  in  Figure above. Here,   as  the  surge moves with an   absolute velocity, Vw, flow depth becomes equal to y2 behind the surge. Undistributed   flow depth ahead of the surge  is y1. The corresponding flow velocities  behind  and  ahead    of  the  slope  front  are  V2  and  V1  respectively.  The surge has been created due to a sudden change of flow rate from Q1 to Q2. In this context,  the    problem  definition  for  surge  computation  is:  given  Q1,y1,Q2  and channel  slope parameters,  determine  the  surge wave  velocity, Vw  and  the  surge height, y2‐y1. Equations for computing the above are based on the basic principles of conservation of mass and momentum.  

Assumptions 

Following assumptions are made in the derivation.   Channel is horizontal and frictionless;    Pressure distribution is hydrostatic at locations away from the front;    Velocity is uniform within the cross section, at location away from the front;    Change in the flow depth at the front occurs over a very short distance;    wave shape, height, and wave velocity do not change as the wave propagates in the channel;    water surfaces behind and ahead of the wave front are parallel to the bed 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  28 

Derivation of Equations 

We first choose a control volume encompassing the wave front. This control volume can be made stationary by superimposing a constant velocity, Vw (equal to the absolute velocity of surge wave) in the negative x‐direction.   Thus the unsteady flow of previous Figure may be transformed to steady flow in the Figure that follows, and the principles of conservation of mass and momentum can be applied to a steady flow situation. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  29 

 Surge movement viewed as steady flow 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  30 

Applying continuity equation to the control volume of above Figure, we get 

Page 31: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  6 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  31 

in which,  ρ = density of water; A2 = flow area behind the wave and A1 = flow area  ahead of the wave.  

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (1) 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (2) 

Equation (2) can also be written as 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (3) 

Another way of writing the continuity equation is 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (4) 

Since  ρ is a constant, Eq. (1) may be written as  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  32 

Applying momentum equation to the control volume 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (5) 

The channel is prismatic, horizontal and frictionless. Therefore, the only force acting on  the control volume is pressure force.   Pressure force acts in the positive x ‐ direction at the inlet section and in the negative x ‐ direction at the outlet section. Equation (5) can be written as  

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (6) 

= depth to the centroid of inlet section of the C.V. 

=depth of the centroid of outlet section. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  33 

Substitution of Eq. (2) in Eq (6) leads to  

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (7) 

Substitution of Eq. (3) in Eq. (7) and subsequent simplification leads to  

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (8) 

Here, wave is propagating in the downstream direction.    Therefore, Vw should be greater than V1.  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  34 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (9) 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐(10) 

Now, substitution of Eq. (4) in Eq. (7) and subsequent simplification leads to  

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (11) 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  35 

Equations (10) and (11) can be used to determine the surge wave velocity and  the surge height, if we know the values of undisturbed flow depth, y1, flow rate before the surge, Q1, and the flow rate after the surge, Q2.   Equations (10) and (11) are non‐linear equations. They can be solved by an appropriate numerical technique.  For rectangular channels, Eqs. (10) and (11) simplify to the following.  

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (12) 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (13) 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  36 

Page 32: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  7 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  37 

Self Study 

• Positive Surge – Case b 

• Negative Surge 

• Location of Hydraulic Jump 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  38 

Energy Dissipators 

• Stilling basins 

• Flip Buckets 

• Roller Buckets 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  39 

Stilling Basin 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  40 

The hydraulic jump is used for energy dissipation in a stilling basin 

Head less than 50 m 

Chute blocks 

Baffle blocks  

End sills 

Stilling Basin 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  41 

• The chute blocks serrate the flow entering the basin and lift up part of the jet. This produces more eddies increasing energy dissipation, the jump length is decreased, and the tendency of the jump to sweep out of the basin is reduced.  

• The baffle blocks stabilize the jump and dissipate energy due to impact.  

• The sill stabilizes the jump and inhibits the tendency of the jump to sweep out. 

Standardized Stilling Basins 

• St. Anthony Falls stilling basin; 

• Stilling basins developed by the U.S. Bureau of 

Reclamation (each suitable for a certain range 

of head) 

• A basin recommended by the U.S. Army Corps 

of Engineers 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  42 

shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
Page 33: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  8 

Stilling Basin 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  43 

U.S. Army Corps of Engineers stilling basin 

Stilling Basin 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  44 

Stilling Basin 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  45 

Flip Buckets 

• The flip bucket energy disspator  is suitable for sites where the tail water  depth  is  low  (which  would  require  a  large  amount  of excavation if a hydraulic jump dissipator were used) and the rock in the downstream area is good and resistant to erosion.  

• The flip bucket, also   called ski‐jump dissipator, throws the  jet at a sufficient distance away from the spillway where a large scour hole may  be  produced.  Initially,  the  jet  impact  causes  the  channel bottom to scour and erode.   The scour hole  is then enlarged by a ball‐mill motion  of  the  eroded  rock  pieces  in  the  scour  hole.  A plunge pool may be excavated prior to the  first spill  for controlled erosion and to keep the plunge pool in a desired location. 

• A small amount of the energy of the jet is dissipated by the internal turbulence  and  the  shearing  action  of  the  surrounding  air  as  it travels  in  the  air.  However,  most  of  the  energy  of  the  jet  is dissipated in the plunge pool. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  46 

Flip Bucket 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  47 

Flip Bucket 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  48 

shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
Page 34: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  9 

Roller Bucket 

• A  roller  bucket  may  be  used  for  energy dissipation  if  the  downstream  depth  is significantly  greater  than  that  required  for  the formation of a hydraulic jump. 

•  In this dissipator, the dissipation is caused mainly by  two  rollers:  counterclockwise  roller  near  the water  surface  above  the  bucket  and  a  roller  on the channel bottom downstream of the bucket.  

• The  movement  of  these  rollers  along  with  the intermixing  of  the  incoming  flows  results  in  the dissipation of energy. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  49 

Roller Bucket 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  50 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  51 

  Plunge Pool A plunge pool  is an energy dissipating device  located at  the outlet of a  spillway. Energy  is dissipated as the discharge flows  into the plunge pool. Plunge pools are commonly lined with rock riprap or other material to prevent excessive erosion of the pool area. Discharge from the plunge pool should be at the natural streambed elevation. Typical problems may include movement of the riprap, loss of fines from the bedding material and scour beyond the riprap and lining.  

shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
Page 35: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  1 

2K6CE 404  FLUID MECHANICS ‐ II 

Dr. B. Rajeevan Assistant Professor 

Department of Civil Engineering Government College of Engineering Kannur 

Mob: +91 9495 333 088 E‐mail: [email protected] Contact Hours: 4 pm – 5 pm 

  

Turbines 

• Machines to convert hydro‐power to mechanical energy 

• Mechanical energy generated by turbines is used to run electric generators to develop electric power  ‐ Hydroelectric power 

• Cheaper – compared to oil and coal 

• Environment friendly 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  2 

Elements of Hydroelectric Power Plants 

• Head race 

• Penstocks 

• Tail race 

• Forebay 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  3 

Hydroelectric Power Plants 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  4 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  5  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  6 

best
Highlight
Page 36: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  2 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  7 

General Layout with Reaction Turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  8 

General Layout with Impulse Turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  9 

Advantages of Hydroelectric Power 

• Hydroelectricity is a renewable energy resource.  • Hydroelectricity is one of the most efficient energy sources because most 

of the kinetic energy of the water is converted to electrical energy.  • No greenhouse gases or other dangerous gases are produced so there is 

no damage of this kind to the environment. • No fuel is needed, therefore the price of hydroelectricity will not change if 

the price of fuel increases.  • Hydroelectric plants are generally less expensive to run than other 

generating plants.  • Electricity can be generated almost straight away compared to coal‐fired 

power stations which take several hours to start. • Electricity can be stored for later use by using excess production to pump 

water to a higher altitude facility until it is released again to generate electricity.  

• Hydroelectric plants only need a turbine and generator where as coal‐fired stations need a furnace, boiler, condenser, cooling towers etc.  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  10 

Disadvantages of Hydroelectric Power 

• The  construction  of  hydroelectric  plants  is expensive. 

• Hydroelectric  plants  are  site  specific.  In  other words you can't build them just anywhere. 

• Hydroelectric plants can have a detrimental effect on  the  river  flow  and  water  supply.  The construction  of  hydroelectric  plants  usually means  that  areas  of  land  will  be  flooded.  This means  that  habitats  for  animals  and  plants  are lost. People  living  in the area may also  lose their land.  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  11 

Head 

• Head 

– Gross Head (H1) – Difference between head and tail races 

– Net Head (H) – Head at entrance to turbine 

• = H1  Losses(hf) 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  12 

best
Highlight
best
Highlight
best
Highlight
best
Highlight
best
Highlight
best
Highlight
best
Highlight
best
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
shamjith
Highlight
Page 37: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  3 

Losses of Energy 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  13 

Efficiency 

• Hydraulic efficiency 

• Mechanical efficiency 

• Volumetric efficiency 

• Overall efficiency 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  14 

Hydraulic Efficiency 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  15 

Mechanical Efficiency 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  16 

Volumetric Efficiency 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  17 

Overall Efficiency 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  18 

best
Highlight
best
Highlight
best
Highlight
best
Highlight
shamjith
Sticky Note
Power delivered to runner ----------------------------- power supplied at inlet
Page 38: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  4 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  19 

TURBINES 

Impulse 

Pelton Wheel 

Reaction 

Francis 

Kaplan 

Classification of Turbines 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  20 

TURBINES 

Tangential flow 

Radial flow  Axial flow  Mixed flow 

Classification of Turbines 

Pelton wheel  Kaplan turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  21 

TURBINES 

High head (> 250 m) 

Medium head (60 – 250 m) 

Low head (< 60 m) 

Classification of Turbines 

Pelton wheel  Francis Turbine  Kaplan Turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  22 

TURBINES 

Specific speed (8.5 ‐ 30) 

Medium head (50 ‐ 340) 

Low head (255 ‐ 860) 

Classification of Turbines 

Pelton wheel  Francis Turbine  Kaplan Turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  23 

Runner 

Vane/Bucket/Blade 

Impulse Turbine 

• A  nozzle  at  the  end  of  penstock  transforms water under a high head  into a powerful  jet. The  momentum  of  this  jet  is  destroyed  by striking  the  runner,  which  absorbs  the resulting  force.  If  the  velocity  of  the  water leaving  the  runner  is  nearly  zero,  all  of  the kinetic  energy  of  the  jet will  be  transformed into  mechanical  energy,  so  the  efficiency  is high. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  24 

Page 39: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  5 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  25  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  26 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  27  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  28 

Plan  view  of  a  Pelton  turbine installation  (courtesy  Voith Siemens Hydro Power Generation). 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  29 

Pelton Wheel 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  30 

Page 40: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  6 

Work Done and Efficiencies 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  31  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  32 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  33  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  34 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  35 

Self study 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  36 

Page 41: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  7 

Reaction Turbine 

• Only a part of the energy of water available at the turbine entrance  is converted to KE and a substantial part remains as pressure energy. 

• Change  from  pressure  to  KE  energy  takes gradually  while  the  runner  moves.  For  this change  to  take  place,  the  runner  must  be encased  to  contain  the  water  pressure  (or suction), or  they must be  fully  submerged  in the water flow. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  37 

Reaction Turbine cont’d … 

• Reaction  turbines  are  acted  on  by  water, which  changes  pressure  as  it moves  through the turbine and gives up its energy.  

• Newton's  third  law  describes  the  transfer  of energy for reaction turbines. 

• Most  water  turbines  in  use  are  reaction turbines  and  are  used  in  low  (<  30m)  and medium (30  300m)head applications.  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  38 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  39 

Francis Turbine 

• Francis turbines are radial flow reaction turbines, with fixed runner blades and adjustable guide vanes, used for medium heads.   

• In the high speed Francis the admission is always radial but the outlet is axial. 

•  Francis turbines can be set in an open flume or attached to a penstock.  

•   

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  40 

Francis Turbine cont’d … 

•  For small heads and power open flumes are commonly employed.  

•  Steel spiral casings are used for higher heads, designing the casing so that the tangential velocity of the water is constant along the consecutive sections around the circumference.   

• Small runners are usually made in aluminum bronze castings. Large runners are fabricated from curved stainless steel plates, welded to a cast steel hub.  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  41  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  42 

Page 42: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  8 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  43 

A Francis turbine runner, rated at nearly one million hp (750 MW), being installed at the Grand Coulee Dam, United States. 

Parts of Francis Turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  44 

Part Name  Purpose 

Scroll Casing/Spiral Casing 

Provide an even distribution of water around runner‐leads to constant velocity of water‐ c/s area gradually decreased. Made of cast steel/plate steel/concrete/concrete and steel 

Speed Ring/Stay Ring 

Upper and lower rings held together by stay vanes Directs water from the scroll case to guide vanes Resists the load imposed upon it by internal water pressure and weight of turbine & generator to foundation Made of cast iron/cast steel/fabricated steel  

Stay vanes  No of stay vanes = half the no of guide vanes 

Guide vanes  Fixed on the periphery of runner Regulates the quantity of water supplied to the runner Airfoil shaped Made of cast steel/stainless steel/plate steel 

Parts of Francis Turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  45 

Part Name  Purpose 

Runner  Series of curved vanes(16 to 24 in number) evenly arranged Water enters the runner radially and leaves axially – creates a force to rotate the runner Made of cast iron/ cast steel/mild steel/stainless steel 

Shaft  Made of forged steel Used to transfer the torque created by runner to generator 

Draft Tube  Water from runner to tail race via draft tube Made of cast steel/Plate steel/Concrete  Airtight Lower end submerged below the tail water level Permits negative/suction head to be developed so that the turbine can be placed above the tail water level Converts kinetic energy to pressure energy 

Draft Tube 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  46 

Draft Tube 

• In reaction turbines, to reduce the kinetic energy still remaining in the water leaving the runner a draft tube or diffuser stands between the turbine and the tail race.   

• A well‐designed draft tube allows, within certain limits, the turbine to be installed above the tailwater elevation without losing any head.   

• As the kinetic energy is proportional to the square of the velocity one of the draft tube objectives is to reduce the outlet velocity.  

•   

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  47 

Draft Tube 

• An efficient draft tube would have a conical section but the angle cannot be too large, otherwise flow separation will occur. The optimum angle is 7° but to reduce the draft tube length, and therefore its cost, sometimes angles are increased up to 15°.   

• Draft tubes are particularly important in high‐speed turbines, where water leaves the runner at very high speeds. In horizontal axis machines the spiral casing must be well anchored in the foundation to prevent vibration that would reduce the range of discharges accepted by the turbine.  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  48 

Page 43: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  9 

 What is the purpose of draft tube in 

hydraulic turbines? 

 Draft tube has following purpose :‐  1. It makes possible the installation of the turbine above the tail race level without the loss of head.  2. the velocity of water at the runner outlet is very high. By employing a draft tube of increasing cross sectional area, the discharge takes place at a much lower velocity and thus, a part of the kinetic energy that was going as a waste is recovered as a gain in the pressure head, and this increases the efficiency of the turbine.  3.The draft tube prevents the splashing of water coming out of the runner and guides the water to the tail race. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  49 

Work Done and Efficiencies 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  50 

Kaplan Turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  51 

Kaplan Turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  52 

Kaplan Turbine 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  53 

Kaplan Turbine 

• Kaplan and propeller turbines are axial‐flow reaction turbines, generally used for low heads. 

• Large Kaplan turbines have adjustable runner blades and may or may not have adjustable guide‐ vanes.  

• If both blades and guide‐vanes are adjustable it is described as "double‐regulated".  

• If the guide‐vanes are fixed it is "single‐regulated".  

• Unregulated propeller turbines are used when both flow and head remain practically constant, and are most common in micro‐hydro applications. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  54 

Page 44: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  10 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  55  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  56 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  57 

Page 45: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  1 

2K6CE 404  FLUID MECHANICS ‐ II 

Dr. B. Rajeevan Assistant Professor 

Department of Civil Engineering Government College of Engineering Kannur 

Mob: +91 9495 333 088 E‐mail: [email protected] Contact Hours: 4 pm – 5 pm 

  

Pumps • A pump is a machine which converts mechanical energy to 

fluid energy, the fluid being incompressible. This action is opposite to that in hydraulic turbines. 

• A pump is a device used to move fluids, such as gases, liquids or slurries.  

• A pump displaces a volume by physical or mechanical action.  

• One common misconception about pumps is that they create pressure. Pumps alone do not create pressure; they only displace fluid, causing a flow. Adding resistance to flow causes pressure.  

• Pumps fall into two major groups: positive displacement pumps and rotodynamic pumps. Their names describe the method for moving a fluid. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  2 

Classification of Pumps 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  3 

Positive displacement pumps 

• The principle of action, in all positive displacement pumps, is purely static. These pumps are also called as ‘static pumps’.  

 

• The pumps, operated under this principle, are reciprocating, screw, ram,plunger, gear, lobe, perialistic, diaphram, radial piston, axial piston etc. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  4 

Rotodynamic pumps 

• In rotodynamic pumps, however, the energy is transferred by rotary motion and by dynamic action.  

 

• The rotating blade system imparts a force on the fluid, which is in contact with the blade system at all points, thereby making the fluid to move i.e., transferring mechanical energy of the blade system to kinetic energy of the fluid. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  5 

RECIPROCATING PUMPS PUMPS 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  6 

Page 46: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  2 

 Working Principle of Reciprocating Pump 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  7 

Components of reciprocating pumps 

• Components of reciprocating pumps:‐ a) Piston or plunger: – a piston or plunger that reciprocates in a closely fitted cylinder. b) Crank and Connecting rod: – crank and connecting rod mechanism operated by a power source. Power source gives rotary motion to crank. With the help of connecting rod we translate reciprocating motion to piston in the cylinder. c) Suction pipe: – one end of suction pipe remains dip in the liquid and other end attached to the inlet of the cylinder. d) Delivery pipe: – one end of delivery pipe attached with delivery part and other end at discharge point. e) Suction and Delivery valves: – suction and delivery valves are provided at the suction end and delivery end respectively. These valves are non‐return valves. 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  8 

WORKING OF RECIPROCATING PUMP 

• Operation of reciprocating motion is done by the power source (i.e. electric motor or i.c engine, etc).  

• Power source gives rotary motion to crank;  

• with the help of connecting rod we translate reciprocating motion to piston in the cylinder (i.e. intermediate link between connecting rod and piston). 

•  When crank moves from inner dead centre to outer dead centre vacuum will create in the cylinder.  

• When piston moves outer dead centre to inner dead centre and piston force the water at outlet or delivery value. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  9 

EXPRESSION FOR DISCHARGE OF THE RECIPROCATING PUMP 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  10 

Where: –   Q: – discharge in m3/sec A: – cross‐section of piston or cylinder in m2 L: – length of stroke in meter N: – speed of crank in r.p.m 

CENTRIFUGAL PUMPS PUMPS 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  11 

Introduction 

• Centrifugal pumps are the most widely used of all the turbo machine (or rotodynamic) pumps.  

• This type of pumps uses the centrifugal force created by an impeller which spins at high speed inside the pump casing. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  12 

Page 47: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  3 

Components 

• Stationery 

• Rotary 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  13 

Stationery Components 

a) Casing: – It is an air tight passage surrounding the impeller. It is designed in such a way that the kinetic energy of the water discharged at the outlet of the impeller is converted into pressure energy before the water leaves the casing and enters the delivery pipe. Types of casing:‐  

Volute casing: – It is spiral type of casing in which area of flow increase gradually. The increase in area of flow decreases the velocity of flow and increases the pressure of water. Vortex casing: – if a circular chamber is introduced between casing and the impeller, the casing is known as vortex casing. Casing with guide blades: – the impeller is surrounded by a series of guide blades mounted on a ring know as diffuser.  

b) Suction pipe: – a pipe whose one ends is connected to the inlet of the pump and other end dip into water in a sump.  c) Delivery pipe: – a pipe whose one end is connected to the outlet of the pump and other end is involved in delivering the water at a required height. 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  14 

Rotary Components 

Impeller: – It is the main rotating part that provides the centrifugal acceleration to the fluid.  Classification of impeller: 

a) Based on direction of flow: ∙ Axial‐flow: – the fluid maintains significant axial‐flow direction components from the inlet to outlet of the rotor. ∙ Radial‐flow: – the flow across the blades involves a substantial radial‐flow component at the rotor inlet, outlet and both. ∙ Mixed‐flow: – there may be significant axial and radial flow velocity components for the flow through the rotor row. 

b) Based on suction type: ∙ Single suction: – liquid inlet on one side. ∙ Double suction: – liquid inlet to the impeller symmetrically from both sides. 

c) Based on mechanical construction: ∙ Closed: – shrouds or sidewall is enclosing the vanes. ∙ Open: – no shrouds or wall to enclose the vanes. ∙ Semi‐open or vortex type. 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  15 

Working Principle of Centrifugal Pump 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  16 

WORKING 

• Water is drawn into the pump from the source of supply through a short length of pipe (suction pipe). Impeller rotates; it spins the liquid sitting in the cavities between the vanes outwards and provides centrifugal acceleration with the kinetic energy. 

• This kinetic energy of a liquid coming out an impeller is harnessed by creating a resistance to flow. The first resistance is created by the pump volute (casing) that catches the liquid and shows it down. 

• In the discharge nozzle, the liquid further decelerates and its velocity is converted to pressure according to BERNOULLI’S PRINCIPAL.  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  17 

SPECIFIC SPEED • speed of an imaginary pump geometrically similar in every respect to the actual pump and capable of delivering unit quantity against a unit head.  

• It is denoted by NS 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  18 

Where: –  N: – pump speed in r.p.m Q: – discharge in m3/sec H: – head per stage in meter 

Page 48: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  4 

Specific Speed 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  19 

EFFICIENCIES OF CENTRIFUGAL PUMPS 

• Mechanical efficiencies: – It is ratio of the impeller power to the shaft power. 

• Hydraulic efficiencies: – It is ratio of the manometric head to the Euler head. 

• Volumetric efficiencies:‐ It is ratio of the actual to the theoretical discharge. 

• Overall efficiencies: – It is ratio of the water power to the shaft power. 

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  20 

CAVITATION 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  21 

Definition • Cavitation is the formation and then immediate implosion (inward 

bursting) of cavities in a liquid – i.e. small liquid‐free zones ("bubbles") – that are the consequence of forces acting upon the liquid.   

• It usually occurs when a liquid is subjected to rapid changes of pressure that cause the formation of cavities where the pressure is relatively low.  

• Cavitation is transient unsteady phenomenon characterized by a growth of holes or cavities.  

•  Cavitation creates problem in operation of all three types of centrifugal pumps viz. radial, mixed and axial flow pumps, whenever high discharge, high rotational speed or low head is encountered.   

• Pumps with low specific speed are more susceptible to cavitation as compared to high specific speed pumps. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  22 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  23  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  24 

 As the vapor bubbles move along the impeller vanes, the pressure around the bubbles begins to increase until a point is reached where the pressure on the outside of the bubble is greater than the pressure inside the bubble.   The bubble collapses. The process is not an explosion but rather an implosion (inward bursting). Hundreds of bubbles collapse at approximately the same point on each impeller vane.   Bubbles collapse non‐symmetrically such that the surrounding liquid rushes to fill the void forming a liquid microjet. The micro jet subsequently ruptures the bubble with such force that a hammering action occurs. Bubble collapse pressures greater than 1 GPa have been reported.   The highly localized hammering effect can pit the pump impeller. After the bubble collapses, a shock wave emanates outward from the point of collapse. This shock wave is what we actually hear and what we call "cavitation". 

Page 49: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  5 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  25 

Cavitation  is  a  significant  cause  of  wear  in  some  engineering 

contexts. When  entering  high  pressure  areas,  cavitation  bubbles 

that  implode on a metal surface cause cyclic stress. This results  in 

surface  fatigue  of  the metal  causing  a  type  of  wear  also  called 

"cavitation".  

The  most  common  examples  of  this  kind  of  wear  are  pump 

impellers  and  bends  when  a  sudden  change  in  the  direction  of 

liquid occurs.  

Cavitation  is usually divided  into two classes of behaviour:  inertial 

(or transient) cavitation and non‐inertial cavitation. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  26 

Inertial cavitation is the process where a void or bubble in a liquid rapidly collapses, producing a shock wave. Inertial cavitation occurs in nature in the strikes of mantis shrimps and pistol shrimps, as well as in the vascular tissues of plants. In man‐made objects, it can occur in control valves, pumps, propellers and impellers.  Non inertial cavitation is the process in which a bubble in a fluid is forced to oscillate in size or shape due to some form of energy input, such as an acoustic field. Such cavitation is often employed in ultrasonic cleaning baths and can also be observed in pumps, propellers, etc. 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  27 

Since  the  shock  waves  formed  by  cavitation  are  strong  enough  to 

significantly  damage  moving  parts,  cavitation  is  usually  an  undesirable 

phenomenon.  

 

It  is  specifically  avoided  in  the  design  of machines  such  as  turbines  or 

propellers, and eliminating cavitation  is a major  field  in  the study of  fluid 

dynamics. 

Cavitation damage on a valve plate for an axial piston hydraulic pump 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  28 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  29 

Cavitation damage to a Francis turbine. 

Types of Cavitation 

• Traveling Cavitation: As name suggests, this type of cavitation is not a steady one, it moves from place to place within pump. 

• Fixed Cavitation: This type of cavitation is fixed at a place and hardly changes its position. 

• Vortex Cavitation: Here vortex i.e. circular flow is generated and thereby occurrence of cavitation. 

• Vibratory Cavitation. 

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  30 

Page 50: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  6 

Effects of Cavitation 

Harmful Effects of Cavitation • Cavitation affects the performance of various hydraulic machines like pumps, turbines etc. This reduces their overall efficiency. 

• Noise is generated which is unwanted everywhere but in some cases like submarines noise must not be generated as it may create the problem while hiding. 

• Drag force increases in cavitation parts. • Due to braking of bubbles shock waves are produced which generates vibrations. Vibrations are damn dangerous at very high speeds. 

• Material damage due to erosion.  

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  31 

Beneficial Effects of Cavitation 

• Cavitation can be used for agitation and mixing. 

• A cavitation noise boomer can be used as sound source for an echo ranging survey of ocean bottom conditions. 

• Jet cavitation can be used very effectively for tunneling through rock. 

 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  32 

Methods to Avoid Cavitation Damage 

• Primary Design. 

• Air Injection. 

• Cathodic Protection. 

• Hydrogen Evolution. 

• Corrosion Inhibitors. 

 4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  33 

CAVITATION  

IN PUMPS 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  34 

Cavitation in Pumps 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  35  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  36 

Page 51: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  7 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  37 

CAVITATION 

IN TURBINES 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  38 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  39  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  40 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  41  4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  42 

Page 52: Fluid mechanics rajeevan sir  ii-handouts

Fluid Mechanics  4/4/2012 

Dr. B. Rajeevan  8 

4 April 2012  Dr. B. Rajeevan  43 

For more information see the following link:  

http://en.wikipedia.org/wiki/Cavitation