Pages

Minggu, 03 November 2013

Perbedaan Jenis dan Sifat Aliran Fluida

1. Laminar dan Turbulen
Orang yang pertama kali membedakan aliran laminar dan turbulen adalah Osborne Reynolds yang membuat bilangan Reynolds, Re = ρVD/μ. Aliran tersebut merupakan aliran dalam pipa.
a. Laminar
Aliran laminar terjadi apabila partikel-partikel fluida bergerak teratur dengan membentuk garis lintasan kontinyu dan tidak saling berpotongan. Aliran laminar mempunyai kecepatan alir yang rendah dengan kekentalan yang besar. Aliran laminar mempunyai bilangan Reynolds < 2100. Untuk aliran laminar dalam pipa, hanya terdapat satu komponen kecepatan yaitu

b. Turbulen
Aliran turbulen terjadi apabila partikel-partikel fluida bergerak tidak teratur dan garis lintasannya saling berpotongan. Aliran turbulen mempunyai kecepatan alir yang besar dengan kekentalan yang rendah. Aliran turbulen mempunyai bilangan Reynolds > 4000. Untuk aliran turbulen dalam pipa, komponen kecepatannya merupakan komponen acak yaitu 


2. Newtonian dan non-Newtonian
a. Newtonian
Fluida Newtonian adalah fluida yang tegangan gesernya linier terhadap laju regangan geser atau laju deformasi angular. Tegangan geser ini merupakan interaksi antara fluida dengan batas padat yang diberi gaya pada suatu luasan efektif. Sedangkan regangan geser adalah perpindahan sudut antara titik-titik awal fluida saat luasan efektif diam dengan titik-titik fluida setelah luasan efektif diberi suatu gaya dengan kecepatan tertentu.
Pada fluida Newtonian, viskositasnya tetap dan tidak akan berubah meskipun terdapat gaya yang bekerja. Contoh fluida Newtonian adalah air.
b. non-Newtonian
Fluida non-Newtonian adalah fluida yang tegangan gesernya tidak linier terhadap laju regangan geser. Pada fluida non-Newtonian, viskositasnya berubah bila terdapat gaya yang bekerja. Perubahan ini dapat berupa viskositas yang mengecil, contohnya cat lateks yang digoreskan pada dinding, dan juga viskositas yang membesar, contohnya pada adonan, misalnya campuran air dan tepung.
3. Compressible dan incompressible
a. Compressible
Fluida yang compressible adalah fluida yang kerapatannya dapat berubah karena perubahan tekanan dan temperatur. Contoh fluida compressible adalah gas nitrogen dan oksigen.
b. Incompressible
Fluida yang incompressible adalah fluida yang kerapatannya konstan terhadap perubahan tekanan. Contoh fluida incompressible adalah air.
4. Inviscid dan Viscous
a. Inviscid
Fluida inviscid adalah fluida yang tidak viscous. Viskositas muncul karena adanya tegangan geser atau gesekan fluida. Fluida seperti udara mempunyai viskositas kecil sehingga dapat diabaikan. Tegangan normal pada fluida inviscid tidak tergantung pada arah. Aliran inviscid digunakan dalam mengembangkan persamaan Bernoulli.
Persamaan Bernoulli:
    
Persamaan Bernoulli untuk aliran inviscid:

b. Viscous
Fluida memiliki sifat viscous (viskositas), dimana fluida selalu melekat pada batas padat fluida. Meskipun fluida ini bergerak, fluida akan selalu melekat pada batas padat yang melingkupinya. Fluida yang bergerak dapat menimbulkan tegangan geser. Tegangan geser (τ) ini merupakan interaksi antara fluida dengan batas padat yang diberi gaya (P) pada suatu luasan efektif (A). Interaksi yang terjadi berupa pertemuan permukaan antara benda padat dan fluida yang kemudian terjadi kesetimbangan, dimana tegangan geser yang muncul pada suatu luasan efektif besarnya akan sebanding dengan gaya yang bekerja pada batas padat. Ini dapat dituliskan pada persamaan:
                                                          P = τ.A
Pada eksperimen dengan suatu fluida yang ditempatkan diantara dua pelat sejajar yang lebar dimana pelat atas dapat digerakkan, sedangkan yang lainnya diam, terlihat bahwa tegangan geser yang terjadi akan menimbulkan regangan geser. Ketika pelat atas digerakkan, akan trerjadi perpindahan sudut (δβ) antara titik-titik awal fluida saat pelat atas diam dengan titik-titik fluida setelah pelat atas digerakkan dengan gaya P sejauh δa dengan kecepatan U tertentu. Perbedaan sudut inilah yang disebut regangan geser. Kemudian dengan memperhitungkan variabel yang ada, seperti gaya yang bekerja, tegangan geser, regangan geser, gradien kecepatan pelat, dan jarak pergerakkan pelat, ditemukan suatu hubungan dalam persamaan:
                              
Nilai viskositas tergantung pada jenis fluida dan temperatur fluida, dimana semakin besar temperatur viskositasnya akan semakin kecil.
5. Steady dan Unsteady
a. Steady
Steady berarti tunak (tetap/konstan). Aliran fluida yang tunak adalah aliran dimana pada sebuah garis arus tertentuvariabel dari aliran seperti kecepatan, tekanan, kerapatan, dan debit fluida tersebut hanya dalam fungsi s, yaitu lokasi (posisi partikel) diswepanjang garis arus tersebut (V = V(s), P = P(s), ρ = ρ(s), Q = Q(s)). Hal ini dapat diartikan bahwa dapat terjadi perubahan pada variabel tersebut pada suatu tempat tertentu, tetapi akan konstan terhadap waktu. Hal ini dapat dinyatakan sebagai berikut:
                                    
Aplikasi dari aliran tunak ini ada pada persamaan Bernoulli, dimana asumsi-asumsi yang digunakan pada persamaan tersebut bahwa kecepatan alirannya konstan terhadap waktu.
                                      
 
b. Unsteady
Usteady berarti tak tunak. Aliran fluida yang tak tunak adalah aliran dimana pada sebuah garis arus tertentu variabel aliran, seperti kecepatan, tekanan, kerapatan, dan debit fluida, tidak hanya dalam fungsi s melainkan juga dalam fungsi waktu (V = V(s, t), P = P(s, t), ρ = ρ(s, t), Q = Q(s, t)). Hal ini dapat diartikan bahwa dapat terjadi perubahan variabel tersebut pada suatu tempat tertentu dan juga berubah dengan waktu. Sehingga untuk mendapatkan percepatan aliran digunakan persamaan:
                                    
Ketidak-tunakan iniyang menjadi kelemahan dari persamaan awal Bernoulli. Namun kemudian dapat dimodifikasi dengan menyisipkan efek ketidak-tunakan, sehingga persamaan menjadi:
            
6. Onephase dan Multiphase
a. Onephase
Aliran fluida onephase adalah aliran fluida yang dalam satu alirannya hanya berupa satu wujud zat. Misalnya dalam suatu sistem perpipaan PDAM, fluida yang dialirkan adalah air dalam bentuk cair mulai dari kolam penampung hingga mulut keran konsumennya.
b. Multiphase
Aliran fluida multiphase adalah aliran fluida yang dalam satu alirannya dapat terdiri dari dua atau lebih wujud zat yang perubahannya terjadi secara simultan. Misalnya dalam kolom destilasi, fluida yang mengalir mula-nula berupa uap yang kemudian setelah didestilasi berubah menjadi cairan. Contoh lain adalah pada sistem boiler dan kondensor dimana wujud fluida yang mengalir berupa steam-cair.
7. Internal flow dan External flow
a. Internal flow
Aliran dalam adalah aliran yang mengalir melalui saluran tertutup. Contohnya lairan dalam pipa dan sambungan. Pada daliran dalam, gaya yang berperan adalah gaya inersia dan viskositas. Analisis aliran ini memperhitungkan geometri sistem yng berupa dimensi panjang. Selain itu, analisis aliran ini juga memperhitungkan tingkat kekasaran permukaan dalam yang bersentuhan dengan sistem aliran.
b. External flow
Aliran luar berarti aliran yang melewati benda-benda yang terendam dalam fluida. Contohnya aliran air disekitar kapal selam dan aliran udara disekitar bola golf yang tengah melambung di udara. Analisis aliran ini memperhitungkan geometri benda, yaitu benda dua dimensi, simetri sumbu, dan tiga dimensi. Selain itu, analisis aliran ini juga mempertimbangkan karakteristik benda, apakah benda tersubut dibuat mulus seperti arur (seperti mobil balap) atau tumpul (seperti parasut).
8. Rotational dan Irrotational
a. Rotational
Aliran rotasional terjadi apabila setiap partikel fluida mempunyai kecepatan sudut terhadap pusat massanya. Hal ini dapat diartikan bahwa aliran rotasional (partikel fluida yang berotasi) terjadi apabila distribusi kecepatan tidak merata.
b. Irrotational
Aliran tak rotasional terjadi apabila distribusi kecepatan di tiap dinding batas merata sehingga patikel fluida tersebut tidak berotasi terhadap pusat massanya.
»»  READMORE...

Definisi Fluida dan Jenis-Jenis Aliran Fluida

A.    Defenisi Tentang Fluida

KontesSEODalam konsep mekanika fluida  semua bahan nampak berada dalam dua keadaan, yaitu sebagai zat padat dan cair (fluida). Kebanyakan bahan bisa disebut entah sebagai zat padat, zat cair, atau gas. Walaupun sebahagian diantaranya mempunyai sifat-sifat yang memungkinkan diperolehnya sebutan  ganda. Sebuah zat padat umumnya mempunyai bentuk yang tertentu, sedangkan zat cair dan gas mempunyai bentuk yang ditetapkan oleh wadahnya sendiri (masing-masing). Perbedaan dasar antara zat cair dan gas (keduanya digolongkan sebagai fluida) adalah bahwa gas akan menyebar dan mengisi  seluruh wadah yang ditempatinya. Defenisi yang lebih tepat untuk membedakan zat padat dengan fluida adalah dari krateristik deformasi bahan tersebut. Zat padat dianggap sebagai bahan yang menunjukkan reaksi deformasi yang terbatas ketika menerima suatu gaya geser (shear). Fluida dapat didefenisikan sebagai suatu zat yang terus menerus berubah bentuk apabila mengalami tegangan gesar fluida tidak mampu menahan tegangan geser tanpa berubah bentuk. Kendatipun demikian ada bahan-bahan seperti oli, cat, ter dan larutan polimer yang menunjukkan karakteristik entah zat padat atau fluida tergantung dari tegangan geser yang dialami. (White, M.Frank, 1988)
Umumnya makin besar laju deformasi fluida, makin besar pula tegangan geser untuk fluida tersebut. Viskositas atau kekentalan adalah ukuran untuk menyatakan hambatan atau kekentalan fluida terhadap deformasi.
Defenisi tentang fluida ini mengingatkan bahwa tegangan geser ada bila sebuah fluida sedang mengalami deformasi. Air dalam ssebuah wadah yang digerakkan atau dirotasikan dengan kecepatan atau percepatan konstan tidak akan menunjukkan deformasi sehingga tidak mengalami tegangan geser. Namun agar tegangan geser itu ada, fluida harus viskos sebagai mana karateristik yang ditunjukkan oleh semua fluida sejati. Fluida ideal boleh didefenisikan sebagai fluida yang tidak viskos. Jadi tegangan geser pada fluida ideal tidak ada, bahkan meskipun fluida itu mengalami deformasi.Walaupun fluida yang tidak viskos tidak pernah ada studi tentang fluida seperti ini penting sekali untuk  rekayasa karena perilaku fluida viskos sering ideal dapat dijabarkan analisis terhadap gerak fluida yang ideal tersebut.

B.           Aliran Fluida

1.      Aliran laminar dan aliran turbulen

Ditinjau dari jenis aliran,dapat diklasifikasikan menjadi aliran laminar dan aliran turbulen. Aliran fliuida dikatakan laminar jika lapisan fluida bergerak dengan kecepatan yang sama dan dengan lintasan partikel yang tidak memotong atau menyilang, atau dapat dikatakan bahwa aliran laminar di tandai dengan tidak adanya ketidak beraturan atau fluktuasi di dalam aliran fluida. Karena aliran fluida pada aliran laminar bergerak dalam lintasan yang sama tetap maka aliran laminar dapat diamati. Partikel fluida pada aliran laminar jarang dijumpai dalam praktek hidrolika. Sedangkan aliran dikatakan turbulen, jika gerakan fluida tidak lagi tenang dan tunak (berlapis atau laminar) melainkan menjadi bergolak dan bergejolak (bergolak atau turbulen). Pada aliran turbulen partikel fluida tidak membuat fluktuasi tertentu dan tidak memperlihatkan pola gerakan yang dapat diamati. Aliran turbulen hampir dapat dijumpai pada praktek hidrolika. Dan diantara aliran laminar dan turbulen terdapat daerah yang dikenal dengan daerah transisi.
aliran fluida
jenis-jenis aliran fluida
Gambar 1. Skema Aliran Dalam Pipa
Sumber : Streeter (1988)
Untuk menganalisa kedua jenis aliran ini diberikan parameter tak berdimensi yang dikenal dengan nama bilangan Reynolds (Giles. V, 1984) sebagai berikut:
Re = ρ . D . v / μ
Dimana :              Re        =  Bilangan Reynolds
r          =  massa jenis (kg/m3)
m          =  viskositas dinamis (N.s/m2)
D         =  Diameter (m)
v          =  kecepatan aliran (m/s)
Transisi dari aliran laminar dan aliran turbulen karena diatas bilangan Reynolds yang tertentu aliran laminar menjadi tidak stabil, jika suatu gangguan kecil diberikan pada aliran, pengaruh aliran ini semakin besar dengan bertambahnya waktu. Suatu aliran dikatakan stabil bila gangguan–gangguan diredam. Ternyata bahwa dibawah bilangan Reynolds yang tertentu aliran pipa yang laminar bersifat stabil untuk tiap gangguan yang kecil.
Karena transisi terganting pada gangguan-gangguan yang dapat berasal dari luar atau karena kekasaran permukaan pipa,transisi tersebut dapat terjadi dalam selang bilangan Reynolds. Dan telah diketahui bahwa aliran laminar pada kondisi dimana bilangan Reynolds lebih kecil dari 2000 (>2000) dan turbulen jika bilangan Reynolds lebih besar 4000 (>4000). Dan jika bilangan Reynolds berada diantara 2000 dan 4000 adalah merupakan daerah transisi.
2.      Aliran Steady dan Aliran Uniform
Aliran disebut steady (tenang) apabila aliran semua tempat disepanjang lintasan aliran tidak berubah menurut waktu. Sedangkan aliran Uniform dapat diartikan sebagai suatu keadaan aliran yang tidak berubah diseluruh ruang. Kedua defenisi ini sering dipakai pada keadaan aliran turbulen dan biasanya dianggap aliran steady yang berarti aliran steady rata-rata.Demikian pula aliran uniform berarti uniform rata-rata.
»»  READMORE...