SlideShare a Scribd company logo
1 of 52
Download to read offline
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: rajeevan@gcek.ac.in 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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: rajeevan@gcek.ac.in 
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 
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 
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 
y 
B 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
2 
1 
17 m  150 m 
2 
1 
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 
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 
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: rajeevan@gcek.ac.in 
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. 
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 . 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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: rajeevan@gcek.ac.in 
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 
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  
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 
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. 
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 
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 
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 
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 
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.  
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: rajeevan@gcek.ac.in 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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: rajeevan@gcek.ac.in 
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 
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 
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 
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". 
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 
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 
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 
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 

More Related Content

Viewers also liked

Fluid tutorial 4_ans dr.waleed. 01004444149
Fluid tutorial 4_ans dr.waleed. 01004444149 Fluid tutorial 4_ans dr.waleed. 01004444149
Fluid tutorial 4_ans dr.waleed. 01004444149 dr walid
 
Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 3rd Edition
Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 3rd EditionFluid Mechanics for Chemical Engineers, 3rd Edition
Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 3rd Edition3WASH!E :)
 
Properties of Fluids
Properties of FluidsProperties of Fluids
Properties of FluidsBhavik A Shah
 
WATS 9 (1-50) Fluid Mechanics and Thermodynamics
WATS 9 (1-50) Fluid Mechanics and ThermodynamicsWATS 9 (1-50) Fluid Mechanics and Thermodynamics
WATS 9 (1-50) Fluid Mechanics and ThermodynamicsMark Russell
 
Chapter 1-Introduction fluids Mechanics
Chapter 1-Introduction fluids MechanicsChapter 1-Introduction fluids Mechanics
Chapter 1-Introduction fluids MechanicsHaslinda Mohammad
 
Vector calculus
Vector calculusVector calculus
Vector calculusraghu ram
 

Viewers also liked (14)

L 5and l-6 sewer design
L 5and l-6 sewer designL 5and l-6 sewer design
L 5and l-6 sewer design
 
Fluid tutorial 4_ans dr.waleed. 01004444149
Fluid tutorial 4_ans dr.waleed. 01004444149 Fluid tutorial 4_ans dr.waleed. 01004444149
Fluid tutorial 4_ans dr.waleed. 01004444149
 
Vector calculus
Vector calculusVector calculus
Vector calculus
 
(Part i)- open channels
(Part i)- open channels(Part i)- open channels
(Part i)- open channels
 
Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 3rd Edition
Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 3rd EditionFluid Mechanics for Chemical Engineers, 3rd Edition
Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 3rd Edition
 
Properties of Fluids
Properties of FluidsProperties of Fluids
Properties of Fluids
 
Embankment lecture 1
Embankment lecture 1Embankment lecture 1
Embankment lecture 1
 
Open channel design
Open channel designOpen channel design
Open channel design
 
WATS 9 (1-50) Fluid Mechanics and Thermodynamics
WATS 9 (1-50) Fluid Mechanics and ThermodynamicsWATS 9 (1-50) Fluid Mechanics and Thermodynamics
WATS 9 (1-50) Fluid Mechanics and Thermodynamics
 
Chapter 1-Introduction fluids Mechanics
Chapter 1-Introduction fluids MechanicsChapter 1-Introduction fluids Mechanics
Chapter 1-Introduction fluids Mechanics
 
Hydraulic design of sewer
Hydraulic design of sewerHydraulic design of sewer
Hydraulic design of sewer
 
Sewerage design
Sewerage designSewerage design
Sewerage design
 
Fluid kinematics
Fluid kinematicsFluid kinematics
Fluid kinematics
 
Vector calculus
Vector calculusVector calculus
Vector calculus
 

More from SHAMJITH KM

Salah of the Prophet (ﷺ).pdf
Salah of the Prophet (ﷺ).pdfSalah of the Prophet (ﷺ).pdf
Salah of the Prophet (ﷺ).pdfSHAMJITH KM
 
Construction Materials and Engineering - Module IV - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module IV - Lecture NotesConstruction Materials and Engineering - Module IV - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module IV - Lecture NotesSHAMJITH KM
 
Construction Materials and Engineering - Module III - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module III - Lecture NotesConstruction Materials and Engineering - Module III - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module III - Lecture NotesSHAMJITH KM
 
Construction Materials and Engineering - Module II - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module II - Lecture NotesConstruction Materials and Engineering - Module II - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module II - Lecture NotesSHAMJITH KM
 
Construction Materials and Engineering - Module I - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module I - Lecture NotesConstruction Materials and Engineering - Module I - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module I - Lecture NotesSHAMJITH KM
 
Computing fundamentals lab record - Polytechnics
Computing fundamentals lab record - PolytechnicsComputing fundamentals lab record - Polytechnics
Computing fundamentals lab record - PolytechnicsSHAMJITH KM
 
Concrete lab manual - Polytechnics
Concrete lab manual - PolytechnicsConcrete lab manual - Polytechnics
Concrete lab manual - PolytechnicsSHAMJITH KM
 
Concrete Technology Study Notes
Concrete Technology Study NotesConcrete Technology Study Notes
Concrete Technology Study NotesSHAMJITH KM
 
നബി(സ)യുടെ നമസ്കാരം - രൂപവും പ്രാര്ത്ഥനകളും
നബി(സ)യുടെ നമസ്കാരം -  രൂപവും പ്രാര്ത്ഥനകളുംനബി(സ)യുടെ നമസ്കാരം -  രൂപവും പ്രാര്ത്ഥനകളും
നബി(സ)യുടെ നമസ്കാരം - രൂപവും പ്രാര്ത്ഥനകളുംSHAMJITH KM
 
Design of simple beam using staad pro - doc file
Design of simple beam using staad pro - doc fileDesign of simple beam using staad pro - doc file
Design of simple beam using staad pro - doc fileSHAMJITH KM
 
Design of simple beam using staad pro
Design of simple beam using staad proDesign of simple beam using staad pro
Design of simple beam using staad proSHAMJITH KM
 
Python programs - PPT file (Polytechnics)
Python programs - PPT file (Polytechnics)Python programs - PPT file (Polytechnics)
Python programs - PPT file (Polytechnics)SHAMJITH KM
 
Python programs - first semester computer lab manual (polytechnics)
Python programs - first semester computer lab manual (polytechnics)Python programs - first semester computer lab manual (polytechnics)
Python programs - first semester computer lab manual (polytechnics)SHAMJITH KM
 
Python programming Workshop SITTTR - Kalamassery
Python programming Workshop SITTTR - KalamasseryPython programming Workshop SITTTR - Kalamassery
Python programming Workshop SITTTR - KalamasserySHAMJITH KM
 
Analysis of simple beam using STAAD Pro (Exp No 1)
Analysis of simple beam using STAAD Pro (Exp No 1)Analysis of simple beam using STAAD Pro (Exp No 1)
Analysis of simple beam using STAAD Pro (Exp No 1)SHAMJITH KM
 
Theory of structures I - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
Theory of structures I - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)Theory of structures I - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
Theory of structures I - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)SHAMJITH KM
 
Theory of structures II - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
Theory of structures II - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)Theory of structures II - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
Theory of structures II - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)SHAMJITH KM
 
CAD Lab model viva questions
CAD Lab model viva questions CAD Lab model viva questions
CAD Lab model viva questions SHAMJITH KM
 
Brain Computer Interface (BCI) - seminar PPT
Brain Computer Interface (BCI) -  seminar PPTBrain Computer Interface (BCI) -  seminar PPT
Brain Computer Interface (BCI) - seminar PPTSHAMJITH KM
 
Surveying - Module iii-levelling only note
Surveying - Module  iii-levelling only noteSurveying - Module  iii-levelling only note
Surveying - Module iii-levelling only noteSHAMJITH KM
 

More from SHAMJITH KM (20)

Salah of the Prophet (ﷺ).pdf
Salah of the Prophet (ﷺ).pdfSalah of the Prophet (ﷺ).pdf
Salah of the Prophet (ﷺ).pdf
 
Construction Materials and Engineering - Module IV - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module IV - Lecture NotesConstruction Materials and Engineering - Module IV - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module IV - Lecture Notes
 
Construction Materials and Engineering - Module III - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module III - Lecture NotesConstruction Materials and Engineering - Module III - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module III - Lecture Notes
 
Construction Materials and Engineering - Module II - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module II - Lecture NotesConstruction Materials and Engineering - Module II - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module II - Lecture Notes
 
Construction Materials and Engineering - Module I - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module I - Lecture NotesConstruction Materials and Engineering - Module I - Lecture Notes
Construction Materials and Engineering - Module I - Lecture Notes
 
Computing fundamentals lab record - Polytechnics
Computing fundamentals lab record - PolytechnicsComputing fundamentals lab record - Polytechnics
Computing fundamentals lab record - Polytechnics
 
Concrete lab manual - Polytechnics
Concrete lab manual - PolytechnicsConcrete lab manual - Polytechnics
Concrete lab manual - Polytechnics
 
Concrete Technology Study Notes
Concrete Technology Study NotesConcrete Technology Study Notes
Concrete Technology Study Notes
 
നബി(സ)യുടെ നമസ്കാരം - രൂപവും പ്രാര്ത്ഥനകളും
നബി(സ)യുടെ നമസ്കാരം -  രൂപവും പ്രാര്ത്ഥനകളുംനബി(സ)യുടെ നമസ്കാരം -  രൂപവും പ്രാര്ത്ഥനകളും
നബി(സ)യുടെ നമസ്കാരം - രൂപവും പ്രാര്ത്ഥനകളും
 
Design of simple beam using staad pro - doc file
Design of simple beam using staad pro - doc fileDesign of simple beam using staad pro - doc file
Design of simple beam using staad pro - doc file
 
Design of simple beam using staad pro
Design of simple beam using staad proDesign of simple beam using staad pro
Design of simple beam using staad pro
 
Python programs - PPT file (Polytechnics)
Python programs - PPT file (Polytechnics)Python programs - PPT file (Polytechnics)
Python programs - PPT file (Polytechnics)
 
Python programs - first semester computer lab manual (polytechnics)
Python programs - first semester computer lab manual (polytechnics)Python programs - first semester computer lab manual (polytechnics)
Python programs - first semester computer lab manual (polytechnics)
 
Python programming Workshop SITTTR - Kalamassery
Python programming Workshop SITTTR - KalamasseryPython programming Workshop SITTTR - Kalamassery
Python programming Workshop SITTTR - Kalamassery
 
Analysis of simple beam using STAAD Pro (Exp No 1)
Analysis of simple beam using STAAD Pro (Exp No 1)Analysis of simple beam using STAAD Pro (Exp No 1)
Analysis of simple beam using STAAD Pro (Exp No 1)
 
Theory of structures I - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
Theory of structures I - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)Theory of structures I - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
Theory of structures I - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
 
Theory of structures II - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
Theory of structures II - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)Theory of structures II - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
Theory of structures II - STUDENT NOTE BOOK (Polytechnics Revision 2015)
 
CAD Lab model viva questions
CAD Lab model viva questions CAD Lab model viva questions
CAD Lab model viva questions
 
Brain Computer Interface (BCI) - seminar PPT
Brain Computer Interface (BCI) -  seminar PPTBrain Computer Interface (BCI) -  seminar PPT
Brain Computer Interface (BCI) - seminar PPT
 
Surveying - Module iii-levelling only note
Surveying - Module  iii-levelling only noteSurveying - Module  iii-levelling only note
Surveying - Module iii-levelling only note
 

Recently uploaded

Decoding Kotlin - Your guide to solving the mysterious in Kotlin.pptx
Decoding Kotlin - Your guide to solving the mysterious in Kotlin.pptxDecoding Kotlin - Your guide to solving the mysterious in Kotlin.pptx
Decoding Kotlin - Your guide to solving the mysterious in Kotlin.pptxJoão Esperancinha
 
microprocessor 8085 and its interfacing
microprocessor 8085  and its interfacingmicroprocessor 8085  and its interfacing
microprocessor 8085 and its interfacingjaychoudhary37
 
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...ranjana rawat
 
ZXCTN 5804 / ZTE PTN / ZTE POTN / ZTE 5804 PTN / ZTE POTN 5804 ( 100/200 GE Z...
ZXCTN 5804 / ZTE PTN / ZTE POTN / ZTE 5804 PTN / ZTE POTN 5804 ( 100/200 GE Z...ZXCTN 5804 / ZTE PTN / ZTE POTN / ZTE 5804 PTN / ZTE POTN 5804 ( 100/200 GE Z...
ZXCTN 5804 / ZTE PTN / ZTE POTN / ZTE 5804 PTN / ZTE POTN 5804 ( 100/200 GE Z...ZTE
 
GDSC ASEB Gen AI study jams presentation
GDSC ASEB Gen AI study jams presentationGDSC ASEB Gen AI study jams presentation
GDSC ASEB Gen AI study jams presentationGDSCAESB
 
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICSAPPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICSKurinjimalarL3
 
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130Suhani Kapoor
 
Application of Residue Theorem to evaluate real integrations.pptx
Application of Residue Theorem to evaluate real integrations.pptxApplication of Residue Theorem to evaluate real integrations.pptx
Application of Residue Theorem to evaluate real integrations.pptx959SahilShah
 
Artificial-Intelligence-in-Electronics (K).pptx
Artificial-Intelligence-in-Electronics (K).pptxArtificial-Intelligence-in-Electronics (K).pptx
Artificial-Intelligence-in-Electronics (K).pptxbritheesh05
 
Past, Present and Future of Generative AI
Past, Present and Future of Generative AIPast, Present and Future of Generative AI
Past, Present and Future of Generative AIabhishek36461
 
CCS355 Neural Network & Deep Learning UNIT III notes and Question bank .pdf
CCS355 Neural Network & Deep Learning UNIT III notes and Question bank .pdfCCS355 Neural Network & Deep Learning UNIT III notes and Question bank .pdf
CCS355 Neural Network & Deep Learning UNIT III notes and Question bank .pdfAsst.prof M.Gokilavani
 
Study on Air-Water & Water-Water Heat Exchange in a Finned Tube Exchanger
Study on Air-Water & Water-Water Heat Exchange in a Finned Tube ExchangerStudy on Air-Water & Water-Water Heat Exchange in a Finned Tube Exchanger
Study on Air-Water & Water-Water Heat Exchange in a Finned Tube ExchangerAnamika Sarkar
 
Internship report on mechanical engineering
Internship report on mechanical engineeringInternship report on mechanical engineering
Internship report on mechanical engineeringmalavadedarshan25
 
Call Girls Narol 7397865700 Independent Call Girls
Call Girls Narol 7397865700 Independent Call GirlsCall Girls Narol 7397865700 Independent Call Girls
Call Girls Narol 7397865700 Independent Call Girlsssuser7cb4ff
 
Sachpazis Costas: Geotechnical Engineering: A student's Perspective Introduction
Sachpazis Costas: Geotechnical Engineering: A student's Perspective IntroductionSachpazis Costas: Geotechnical Engineering: A student's Perspective Introduction
Sachpazis Costas: Geotechnical Engineering: A student's Perspective IntroductionDr.Costas Sachpazis
 
Model Call Girl in Narela Delhi reach out to us at 🔝8264348440🔝
Model Call Girl in Narela Delhi reach out to us at 🔝8264348440🔝Model Call Girl in Narela Delhi reach out to us at 🔝8264348440🔝
Model Call Girl in Narela Delhi reach out to us at 🔝8264348440🔝soniya singh
 
IVE Industry Focused Event - Defence Sector 2024
IVE Industry Focused Event - Defence Sector 2024IVE Industry Focused Event - Defence Sector 2024
IVE Industry Focused Event - Defence Sector 2024Mark Billinghurst
 

Recently uploaded (20)

Decoding Kotlin - Your guide to solving the mysterious in Kotlin.pptx
Decoding Kotlin - Your guide to solving the mysterious in Kotlin.pptxDecoding Kotlin - Your guide to solving the mysterious in Kotlin.pptx
Decoding Kotlin - Your guide to solving the mysterious in Kotlin.pptx
 
microprocessor 8085 and its interfacing
microprocessor 8085  and its interfacingmicroprocessor 8085  and its interfacing
microprocessor 8085 and its interfacing
 
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
 
ZXCTN 5804 / ZTE PTN / ZTE POTN / ZTE 5804 PTN / ZTE POTN 5804 ( 100/200 GE Z...
ZXCTN 5804 / ZTE PTN / ZTE POTN / ZTE 5804 PTN / ZTE POTN 5804 ( 100/200 GE Z...ZXCTN 5804 / ZTE PTN / ZTE POTN / ZTE 5804 PTN / ZTE POTN 5804 ( 100/200 GE Z...
ZXCTN 5804 / ZTE PTN / ZTE POTN / ZTE 5804 PTN / ZTE POTN 5804 ( 100/200 GE Z...
 
GDSC ASEB Gen AI study jams presentation
GDSC ASEB Gen AI study jams presentationGDSC ASEB Gen AI study jams presentation
GDSC ASEB Gen AI study jams presentation
 
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICSAPPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
 
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
 
Application of Residue Theorem to evaluate real integrations.pptx
Application of Residue Theorem to evaluate real integrations.pptxApplication of Residue Theorem to evaluate real integrations.pptx
Application of Residue Theorem to evaluate real integrations.pptx
 
Artificial-Intelligence-in-Electronics (K).pptx
Artificial-Intelligence-in-Electronics (K).pptxArtificial-Intelligence-in-Electronics (K).pptx
Artificial-Intelligence-in-Electronics (K).pptx
 
Call Us -/9953056974- Call Girls In Vikaspuri-/- Delhi NCR
Call Us -/9953056974- Call Girls In Vikaspuri-/- Delhi NCRCall Us -/9953056974- Call Girls In Vikaspuri-/- Delhi NCR
Call Us -/9953056974- Call Girls In Vikaspuri-/- Delhi NCR
 
Past, Present and Future of Generative AI
Past, Present and Future of Generative AIPast, Present and Future of Generative AI
Past, Present and Future of Generative AI
 
CCS355 Neural Network & Deep Learning UNIT III notes and Question bank .pdf
CCS355 Neural Network & Deep Learning UNIT III notes and Question bank .pdfCCS355 Neural Network & Deep Learning UNIT III notes and Question bank .pdf
CCS355 Neural Network & Deep Learning UNIT III notes and Question bank .pdf
 
Study on Air-Water & Water-Water Heat Exchange in a Finned Tube Exchanger
Study on Air-Water & Water-Water Heat Exchange in a Finned Tube ExchangerStudy on Air-Water & Water-Water Heat Exchange in a Finned Tube Exchanger
Study on Air-Water & Water-Water Heat Exchange in a Finned Tube Exchanger
 
Internship report on mechanical engineering
Internship report on mechanical engineeringInternship report on mechanical engineering
Internship report on mechanical engineering
 
Call Girls Narol 7397865700 Independent Call Girls
Call Girls Narol 7397865700 Independent Call GirlsCall Girls Narol 7397865700 Independent Call Girls
Call Girls Narol 7397865700 Independent Call Girls
 
Sachpazis Costas: Geotechnical Engineering: A student's Perspective Introduction
Sachpazis Costas: Geotechnical Engineering: A student's Perspective IntroductionSachpazis Costas: Geotechnical Engineering: A student's Perspective Introduction
Sachpazis Costas: Geotechnical Engineering: A student's Perspective Introduction
 
Model Call Girl in Narela Delhi reach out to us at 🔝8264348440🔝
Model Call Girl in Narela Delhi reach out to us at 🔝8264348440🔝Model Call Girl in Narela Delhi reach out to us at 🔝8264348440🔝
Model Call Girl in Narela Delhi reach out to us at 🔝8264348440🔝
 
🔝9953056974🔝!!-YOUNG call girls in Rajendra Nagar Escort rvice Shot 2000 nigh...
🔝9953056974🔝!!-YOUNG call girls in Rajendra Nagar Escort rvice Shot 2000 nigh...🔝9953056974🔝!!-YOUNG call girls in Rajendra Nagar Escort rvice Shot 2000 nigh...
🔝9953056974🔝!!-YOUNG call girls in Rajendra Nagar Escort rvice Shot 2000 nigh...
 
9953056974 Call Girls In South Ex, Escorts (Delhi) NCR.pdf
9953056974 Call Girls In South Ex, Escorts (Delhi) NCR.pdf9953056974 Call Girls In South Ex, Escorts (Delhi) NCR.pdf
9953056974 Call Girls In South Ex, Escorts (Delhi) NCR.pdf
 
IVE Industry Focused Event - Defence Sector 2024
IVE Industry Focused Event - Defence Sector 2024IVE Industry Focused Event - Defence Sector 2024
IVE Industry Focused Event - Defence Sector 2024
 

Fluid mechanics rajeevan sir ii-handouts

  • 1. 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: rajeevan@gcek.ac.in  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 
  • 2. 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 
  • 3. 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 
  • 4. 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 
  • 5. 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 
  • 6. 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 
  • 7. 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 
  • 8. 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: rajeevan@gcek.ac.in  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 
  • 9. 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 
  • 10. 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  y  B  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 
  • 11. 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 
  • 12. 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 
  • 13. 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 
  • 14. 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 
  • 15. 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  2  1  17 m  150 m  2  1  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 
  • 16. 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 
  • 17. 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: rajeevan@gcek.ac.in  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. 
  • 18. 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 . 
  • 19. 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 
  • 20. 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 
  • 21. 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 
  • 22. 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 
  • 23. 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 
  • 24. 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 
  • 25. 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 
  • 26. 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: rajeevan@gcek.ac.in  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 
  • 27. 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  
  • 28. 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 
  • 29. 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. 
  • 30. 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 
  • 31. 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 
  • 32. 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 
  • 33. 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 
  • 34. 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.  
  • 35. 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: rajeevan@gcek.ac.in  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 
  • 36. 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 
  • 37. 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 
  • 38. 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 
  • 39. 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 
  • 40. 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 
  • 41. 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 
  • 42. 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 
  • 43. 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 
  • 44. 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 
  • 45. 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: rajeevan@gcek.ac.in  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 
  • 46. 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 
  • 47. 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 
  • 48. 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". 
  • 49. 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 
  • 50. 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 
  • 51. 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 
  • 52. 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