Fluida adalah
suatu zat yang dapat mengalir, bisa berupa cairan atau gas. Fluida mengubah
bentuknya dengan mudah dan pada gas, fluida mempunyai volume yang sama dengan
volume ruang yang membatasi gas tersebut. Pemakaian mekanika kepada medium
kontinyu, baik benda padat maupun fluida adalah didasari pada hukum gerak
newton yang digabungkan dengan hukum gaya yang sesuai.
Salah satu cara
untuk menjelaskan gerak suatu fluida adalah dengan membagi-bagi fluida tersebut
menjadi elemen volume yang sangat kecil yang dapat dinamakan partikel fluida
dan mengikuti gerak masing-masing partikel ini.
Konsep aliran
fluida yang berkaitan dengan aliran fluida dalam pipa adalah :
1. Hukum kekekalan massa
2. Hukum kekekalan energi
3. Hukum kekekalan momentum
4. Katup
5. Orificemeter
6. Arcameter (rotarimeter)
1.2
Pengukuran Aliran
Pengukuran
aliran adalah untuk mengukur kapasitas aliran, massa laju aliran, volume
aliran. Pemilihan alat ukur aliran tergantung pada ketelitian, kemampuan
pengukuran, harga, kemudahan pembacaan, kesederhanaan dan keawetan alat ukur
tersebut.
Dalam
pengukuran fluida termasuk penentuan tekanan, kecepatan, debit, gradien
kecepatan, turbulensi dan viskositas. Terdapat banyak cara melaksanakan
pengukuran-pengukuran, misalnya : langsung, tak langsung, gravimetrik,
volumetrik, elektronik, elektromagnetik dan optik. Pengukuran debit secara
langsung terdiri dari atas penentuan volume atau berat fluida yang melalui
suatu penampang dalam suatu selang waktu tertentu. Metoda tak langsung bagi
pengukuran debit memerlukan penentuan tinggi tekanan, perbedaan tekanan atau
kecepatan dibeberapa dititik pada suatu penampang dan dengan besaran
perhitungan debit. Metode pengukuran aliran yang paling teliti adalah penentuan
gravimerik atau penentuan volumetrik dengan berat atau volume diukur atau
penentuan dengan mempergunakan tangki yang dikalibrasikan untuk selang waktu
yang diukur.
Pada
prinsipnya besar aliran fluida dapat diukur melalui :
1. Kecepatan
(velocity)
2. Luas
bidang yang dilaluinya
3. Volumenya
1.3
Pola Aliran
Laminar berasal dari bahasa
latin “thin plate” yang berarti plate
tipis atau aliran sangat halus. Pada aliran laminar, gaya viscous (gesek) yang relatif besar mempengaruhi kecepatan aliran
sehingga semakin mendekati dinding pipa, semakin rendah kecepatannya. Secara
teori, aliran ini berbentuk parabola dengan bagian tengah mempunyai kecepatan
paling pinggir mempunyai kecepatan paling rendah akibat adanya gaya gesekan.
Pada aliran turbulen, gaya
momentum aliran lebih besar dibandingkan gaya gesekan dan pengaruh dari dinding
pipa menjadi kecil. Karenanya aliran turbulen memberikan profil kecepatan yang
lebih seragam dibandingkan aliran laminar, walaupun pada lapisan fluida dekat
dinding pipa tetap laminar. Profil kecepatan pada daerah transisi antara laminar
dan turbulen dapat tidak stabil dan sulit untuk diperkirakan karena aliran
dapat menunjukkan sifat dari daerah aliran laminar maupun turbulen atau osilasi
antara keduanya. Pada beberapa tempat, aliran turbulen dibutuhkan untuk
pencampuran zat cair.
Gambar 1.1 Pola Aliran Turbulen dan Laminar
(Divo,
2008)
Dalam
menganalisa aliran, sangatlah penting untuk mengetahui tipe aliran yang
mengalir dalam pipa tersebut. Untuk itu harus dihitung besarnya bilangan
Reynold dengan mengetahui parameter-parameter yang diketahui besarnya. Besarnya
Reynold (NRe), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Dimana :
NRe = bilangan Reynold
D = diameter (m)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
μ = viskositas fluida (Pa.s)
v = kecepatan rata-rata fluida (m/s)
Aliran
akan laminar jika bilangan Reynold kurang dari 2000 dan akan turbulen jika
bilangan Reynold lebih besar dari 4000. Jika bilangan Reynold terletak antara
2000 – 4000 maka disebut aliran transisi.
1.4 Persamaan Kontinuitas
Gerak
fluida di dalam suatu tabung aliran haruslah sejajar dengan dinding tabung.
Meskipun besar kecepatan fluida dapat berbeda dari suatu titik ke titik lain di
dalam tabung. Pada gambar 2.2 menunjukkan tabung aliran untuk membuktikan
persamaan kontinuitas.
Gambar 1.2 Tabung Aliran
(Divo,
2008)
Pada
gambar 2.2, misalkan pada titik P besar kecepatan adalah V1 dan pada
titik Q adalah V2. Kemudian A1 dan A2 adalah
luas penampang tabung aliran tegak lurus pada titik Q. Di dalam interval waktu
Δt sebuah elemen fluida mengalir kira-kira sejauh VΔt. Maka massa fluida Δm1
yang menyeberangi A1 selama interval waktu Δt adalah :
Δm1 = ρ1.A1.V1.Δt
(Divo,
2008)
dengan kata lain
massa Δm1/Δt adalah kira-kira sama dengan ρ1.A1.V1.
Kita harus mengambil Δt cukup kecil sehingga di dalam interval waktu ini
baik V maupun A tidak berubah banyak
pada jarak yang dijalani fluida, sehingga dapat ditulis massa di titik P adalah
ρ1.A1.V1
massa di titik Q adalah ρ2.A2.V2, dimana ρ1
dan ρ2 berturut-turut adalah kerapatan fluida di P dan Q. Karena tidak
ada fluida yang berkurang dan bertambah maka massa yang menyeberangi setiap
bagian tabung per satuan waktu haruslah konstan. Maka massa P haruslah sama
dengan massa di Q, sehingga dapatlah ditulis :
ρ1.A1.V1
= ρ2.A2.V2 (Divo,
2008)
Persamaan
berikut menyatakan hukum kekekalan massa di dalam fluida. Jika fluida yang
mengalir tidak termampatkan, dalam arti kerapatan konstan maka persamaan dapat
ditulis menjadi :
A1.V1
= A2.V2 (Divo, 2008)
Dimana:
A = luas penampang (m2)
V = kecepatan fluida (m/s)
Δm = massa fluida yang berpindah (kg)
Δt = interval waktu (s)
ρ = densitas (kg/m3)
1.5 Jenis Alat Ukur Aliran Fluida
Jenis alat ukur aliran fluida yang paling banyak
digunakan diantara alat ukur lainnya adalah alat ukur fluida jenis laju aliran.
Hal ini dikarenakan konstruksinya yang sederhana dan pemasangannya yang mudah.
Alat ukur aliran fluida jenis ini dibagi empat jenis yaitu :
1. Venturimeter
2. Nozzle
3. Pitot tubes
4. Plate orifice
Pada dasarnya prinsip kerja dari keempat alat ukur ini
adalah sama yaitu bila aliran fluida mengalir melalui alat ukur ini, maka akan
terjadi perbedaan tekanan sebelum dan sesudah fluida mengalir. Beda tekanan
menjadi besar bila laju aliran yang diberikan kepada alat ini bertambah.
1.5.1
Venturimeter
Venturimeter ini merupakan alat primer
dari pengukuran aliran yang berfungsi untuk mendapatkan beda tekanan. Sedangkan
alat untuk menunjukan besaran
aliran fluida yang
diukur atau alat sekundernya adalah manometer. Venturimeter memiliki kerugian karena harganya mahal, memerlukan
ruangan yang besar dan rasio diameter throatnya
dengan diameter pipa tidak dapat diubah.
Untuk sebuah venturimeter
tertentu dan sistem manometer tertentu, kecepatan aliran yang dapat diukur
adalah tetap sehingga jika kecepatan aliran berubah maka diameter throat nya dapat diperbesar untuk
memberikan pembacaan yang akurat.
Pada venturimeter ini fluida masuk melalui bagian inlet dan diteruskan
ke bagian outlet cone. Pada bagian inlet ini ditempatkan titik pengambilan
tekanan awal. Pada bagian inlet cone fluida akan mengalami penurunan
tekanan yang disebabkan oleh bagian inlet cone yang berbentuk kerucut
atau semakin mengecil kebagian throat.
Kemudian fluida masuk kebagian throat inilah tempat-tempat pengambilan
tekanan akhir dimana throat ini
berbentuk bulat datar. Lalu fluida akan melewati bagian akhir dari venturimeter yaitu outlet cone. Outlet
cone ini berbentuk kerucut dimana bagian kecil berada pada throat,
dan pada outlet cone ini tekanan kembali normal.
Penurunan
tekanan pada inlet cone akan dipulihkan dengan sempurna pada outlet
cone. Gesekan tidak dapat ditiadakan dan juga kehilangan tekanan yang
permanen dalam sebuah meteran yang dirancang dengan tepat.
Gambar 1.3 Venturimeter
(Ferdinan,
2007)
1.5.2 Flow
Nozzle
Flow
nozzle ini merupakan alat primer dari pengukuran aliran yang berfungsi
untuk mendapatkan beda tekanannya. Sedangkan alat untuk menunjukkan besaran
aliran fluida yang diukur atau alat sekundernya adalah berupa manometer. Pada flow
nozzle, kecepatan fluida bertambah dan tekanan semakin berkurang seperti
dalam venturimeter. Dan aliran fluida
akan keluar secara bebas setelah melewati lubang flow nozzle sama
seperti pada plat orifice. Flow
nozzle terdiri dari dua bagian utama yang melengkung pada silinder.
Gambar
1.4 Flow Nozzle
(Ferdinan,
2007)
1.5.3 Pitot Tubes
Nama pitot tubes datang dari konsensip Henry
de Pitot pada tahun 1732. Pitot tubes mengukur besaran aliran fluida
dengan jalan menghasilkan beda tekanan yang diberikan oleh kecepatan fluida itu
sendiri. Sama halnya seperti plate orifice, pitot tubes membutuhkan
dua lubang pengukuran tekanan untuk menghasilkan suatu beda tekanan. Pada pitot
tubes ini biasanya fluida yang digunakan adalah jenis cairan dan gas. Pitot
tubes terbuat dari stainless steel dan kuningan.
Gambar
1.5 Pitot Tubes
(Ferdinan,
2007)
2.5.4 Plate Orifice
Agar
dapat melakukan pengendalian atau proses-proses industri, kuantitas bahan yang
masuk dan keluar dari proses perlu diketahui. Kebanyakan bahan ditransportasikan diusahakan dalam
bentuk fluida, maka penting sekali mengukur kecepatan aliran fluida dalam pipa.
Berbagai jenis meteran digunakan untuk mengukur laju arus seperti plate orifice.
Untuk plate orifice ini, fluida yang digunakan adalah jenis cair dan gas.
Pada plate orifice ini piringan harus
bentuk plat dan tegak lurus pada sumbu pipa. Piringan tersebut harus bersih dan
diletakkan pada perpipaan yang lurus untuk memastikan pola aliran yang normal
dan tidak terganggu oleh fitting,
kran atau peralatan lainnya.
Prinsip dasar pengukuran plat orifice dari suatu penyempitan yang
menyebabkan timbulnya suatu perbedaan tekanan pada fluida yang mengalir.
1.6 Aplikasi Aliran Fluida
dengan Penampang Berubah
1.6.1 Analisis Pengaruh Aliran Turbulen Terhadap Karakteristik Lapisan
Batas pada Pelat Datar Panas
Perkembangan ilmu mekanika fluida dari
waktu ke waktu semakin pesat. Di tengah perkembangan ilmu pengetahuan dan
teknologi, studi tentang modifikasi lapisan batas adalah salah satu studi yang
sangat bermanfaat untuk dikembangkan.
Lapisan batas adalah lapisan tipis
pada solid surface yang terbatas pada daerah yang sangat sempit dekat
dengan permukaan kontur dimana kecepatan fluida tidak uniform u∞ sebagai
pengaruh dari gaya viskos yang muncul akibat adanya viskositas.
Akibat sifat kental dari fluida,
timbul gaya kental/viskos di sekitar daerah dekat permukaan pelat. Daerah
aliran dekat permukaan pelat yang masih dipengaruhi oleh gaya viskositas disebut
daerah lapisan batas. Semakin jauh dari permukaan pelat (arah sumbu-y) semakin
kecil pengaruh gaya viskos sehingga kecepatan alir menjadi semakin besar. Dan
makin jauh dari tepi depan pelat (arah sumbu-x) semakin besar pengaruh gaya
viskos sehingga daerah lapisan batas akan menjadi lebih lebar.
Pada lapisan batas terdapat tiga
daerah aliran. Pada permukaan terbentuk lapisan batas laminar tetapi pada jarak
tertentu dari tepi depan mulai terjadi proses transisi hingga aliran menjadi
turbulen. Perubahan daerah lapisan batas ini tidak lepas dari pengaruh gaya
viskos. Semakin besar gaya viskos makin besar gangguan-gangguan pada aliran
fluida sehingga arah kecepatan tidak lagi searah tetapi menjadi acak ke sembarang
arah. Profil kecepatan laminar mendekati bentuk parabola sedangkan profil
turbulen pada bagian dekat permukaan hampir mendekati garis lurus.
Terjadinya lapisan batas seperti yang
dijelaskan di atas tidak memperhatikan adanya perpindahan panas, sedangkan
dalam kehidupan sehari-hari sering ditemukan adanya pelat panas yang dialiri
oleh fluida.
Gambar 2.6 memperlihatkan suatu
fluida itu mengalir dengan distribusi kecepatan yang sama atau uniform u∞
dimana ketika melewati suatu solid surface aliran tersebut mengalami
distribusi kecepatan yang berbeda yang dipengaruhi oleh adanya permukaan padat.
Distribusi kecepatan ini dimulai dari titik di permukaan padat tersebut, dimana
aliran fluida tersebut mempunyai kecepatan nol kemudian semakin besar ketika
menjauhi permukaan dari bodi tersebut. Pengaruh tegangan geser akan hilang pada
posisi tertentu dan kecepatan fluida mencapai nilai kecepatan fluida nonviscous
(u = 0,99 u∞) dan posisi tersebut merupakan batas daerah viscous
(lapisan batas) dengan bagian nonviscous. Jarak yang diukur dari
permukaan padat arah normal hingga posisi tersebut disebut dengan tebal lapisan
batas.
Gambar 1.6 Struktur Lapisan Batas
(Faruk dan Kamiran, 2012)
Referensi :
Albright, Lyle
F. 2009. Chemical Engineering Handbook.
Indiana. USA.
Faruk, Umar dan Kamiran. 2012. Analisis Pengaruh Aliran Turbulen Terhadap Karakteristik Lapisan Batas pada
Pelat Datar Panas. Jurnal Sains Dan Seni ITS Vol. 1, No. 1, (Sept. 2012)
ISSN: 2301-928X.
Ferdinan.
2007. Prinsip Kerja Aliran Fluida dengan Menggunakan Transmitter Elektrik.
http://repository.usu.ac.id. Diakses pada tanggal 7 Oktober 2012.
Gultom,
Andika Rikardo. 2011. Studi Suplesi dari Sungai Ular Ke Sungai
Belumai Untuk Kebutuhan Air Baku PDAM Limau Manis. http://repository.usu.ac.id.
Diakses pada tanggal 7 Oktober 2012.
Madang,
Fatwah M. 2011. Aliran fluida. http://www.scribd.com.
Diakses pada tanggal 7 Oktober 2012.
0 Comments
