7/24/2019 RESUME-KULIAH-MEKANIKA-FLUDIA-Aerya.pdf
1/4
Jenis aliran fluida berubah-ubah sesuai dengan sistem yang mengelilinginya. pipa sendiri merupakan
sebuah sistem tertutup, yang apabila diasumsikan fluida terisolasi dalam sistem pipa maka kita akan
dapat men jabarkan analisis kualitatif dan kuantitatif dari aliran fluida tersebut.
Untuk dapat mendapatkan besaran variabel (kecepatan, debit, dsb), maka kita harus memiliki suatu
besaran yang konstant sebagai acuan, dalam konteks aliran fluida (dan bahkan di sistem apapun) kita
memiliki Energiyang tidak pernah musnah, dalam artian, jumlah total energi tidak pernah berubah,
energi tidak musnah dan tidak diciptakan, ia hanya berubah bentuk. Secara matematis :
) Dari sinilah kita bisa memanfaatkan Prinsip Bernoulli yang melibatkan konservasi energipotensial
dalam aliran tidak viskos yang tidak mampu mampat.
Prinsip Bernoulli atau yang biasa kita kenal sebagai Persamaan Bernouli secara matematis ditulis
sebagai berikut:
Dimana:
adalah kecepatan fluida dalam arus (m/s)
adalah percepatan gravitasi (m/s2
)adalah ketinggian fluida dari titik referensi, positif
searah gravitasi (m)
adalah tekanan di titik yang ditentukan (Pa)
adalah massa jenis di seluruh titik fluida (kg/m3)
Persamaan di atas jelas memiliki dimensi tekanan, namun dengan memberikan pembagi berat jenis (maka persamaan diatas bisa juga ditulis sebagai berikut:
Pada pertemuan lalu, kelas kami sempat berdiskusi
mengenai soal no 8.20, soal ini melibatkan jenis
manometeryang menggunakan prinsip Bernoulli. Soal
ini melibatkan beberapa perhitungan, yaitu Bilangan
Reynold(Re):
dimana Dh
adalah diameter pipa (m), karena fluida.
untuk menentukan jenis aliran, kemudian tinggi (h)
dan kemudian prinsip manometer yang merupakan
turunan dari persamaan Bernoulli:
ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA
RESUME KULIAH MEKANIKA FLUDIA
7/24/2019 RESUME-KULIAH-MEKANIKA-FLUDIA-Aerya.pdf
2/4
Dalam soal ini, ditemukan bahwa fluida memiliki perbedaan
tekanan di sepanjang aliran arus. Salah satu rekan kami
kemudian menyatakan hal itu idak mungkin dengan mengutip
persamaan Bernoulli.
Mari kita kembali ke persamaan Bernoulli
Memang benar, tekanan di awal sama dengan tekanan di akhir.
Pada saat fluida mengalir, hal itu terjadi karena ada kerja, dan saat ada kerja maka menurut hukum
termodimanika I, maka akan ada panas. Namun rupa-rupanya Prinsip Bernoulli ini tidak megacuhkan
faktor disipasi panas! Pada persamaan ini di asumsikan bahwa hilangnya panas bisa diabaikan karena
sangat kecil, nah maka persamaan Bernoulli dapat ditulis ulang dengan memperhitungkan panas
menjadi sebagai berikut:
dengan h adalah panas yang terdisipasi.
Kesimpulannya memang terjadi penurunan tekanan dan kecepatan di sepanjang aliran arus, karena
adanya disispasi panas.
Lapisan Batas dalam Fluida
Di pertemuan berikutnya, kita membahas tentang Lapisan Batas. Analisa gerak aliran fluida umumnya
dapat dibagi menjadi dua bagian yang pengaruh gesekannya besaryaitu di daerah lapisan batas
dan di luarnya adalah aliran yang tanpa pengaruh gesekan.
Pada aliran fluida bergesekan, pengaruh gesekan akan menimbulkan lapisan batas. Lapisan
Batas adalah daerah yang melingkupi permukaan aliran, dimana tepat di bawah lapisan batas
terdapat hambatan akibat pengaruh gesekan fluida dan tepat di atas lapisan batas aliran fluida
adalah tanpa hambatan, sehingga untuk menganalisa pengaruh gesekan fluida, penting untuk
diketahui konsep tentang lapisan batas tersebut. Lapisan batas juga bisa disebut sebagai pemisah
antara aliran viskos dan non viskos. Viskositas sendiri ditentukan dari tegangan geseryang terjadi antara
fluida dan penampang permukaan. Lebih jauh aliran yang mengalir pada suatu penampang
mengalami diferensiasi kecepatan terhadap perubahan ketinggiannya,atau secara matematis:
Lapisan batas pada aliran internal akan berkembang terbatas sampai dapat meliputi seluruh
penampang aliran fluida dan hanya terjadi pada daerah di
sekitar lubang masuk aliran sehingga pada umumnya dapat
diabaikan dan aliran dianggap seragam. Namun pada aliran
eksternal pertumbuhan lapisan batas tidak terbatas sehingga
umumnya pembahasan perkembangan lapisan batas menjadi
sangat penting. Pada disamping ditampilkan perkembangan
lapisan batas pada aliran internal dan aliran eksternal. Padagambar tersebut skala sumbu y jauh lebih besar dari sumbu x
7/24/2019 RESUME-KULIAH-MEKANIKA-FLUDIA-Aerya.pdf
3/4
untuk memperoleh gambar yang lebih jelas, karena lapisan tersebut sangat tipis.
Dari gambar terlihat bahwa untuk aliran internal, fluida pada saat bergesekan dengan permukaan
solid, akan mulai membentuk lapisan batas. Lapisan batas ini akan berkembang terus sampai suatu
panjang tertentu yang disebut sebagai panjang masukan (entrance length) kemudian lapisan batas
tidak dapat berkembang lagi (Fully developed flow).
Adapun pada aliran dalam pipa, terdapat karateristik yang berbeda dibandingkan pada pelat datar.
kita akan meninjau bagian pipa dekat penampang masuk, dimana profil kecepatannya masih
berkembang (developing) dengan jarak dari penampang masuk. Disini pola alirannya bukan merupakan
pola aliran yang setimbang atau terkembang penuh. Sebagai contoh, bila lubang masuk pipa terletak
pada suatu tangki atau reservoir, profil kecepatan awal pada penampang pipa akan terbentuk seragam,
dan fluida mengalir ke arah hilir dan mengalami perubahan profil kecepatan sampai gaya-gaya
gesekan telah memperlambat fluida di dekat dinding dan profil kecepatan akhir (yang terkembang
penuh) dicapai.
Pada daerah masuk, fluida dekat tengah-tengah pipa tampaknya tidak dipengaruhi oleh gesekan,
sedangkan fluida dekat dinding telah dipengaruhi oleh gesekan. Daerah dimana efek gesekan terlihat
dengan jelas disebut lapisan batas. Sewaktu fluida ke hilir, lapisan batas ini tumbuh dan akhirnya
memenuhi seluruh pipa.
Yang akan kita perhatikan selanjutnya adalah lapisan batas yang tumbuh, yang belum terkembang
sempurna. Pada ujung depan (leading edge) dari pelat profil kecepatan fluida masih seragam, akan
tetapi mengalami perubahan dalam arah hilir. Mula-mula waktu lapisan batas masih tipis, aliran di dalam
7/24/2019 RESUME-KULIAH-MEKANIKA-FLUDIA-Aerya.pdf
4/4
lapisan ini bersifat laminar. Tetapi waktu lapisan batas ini telah tumbuh dan mencapai suatu tebal tertentu,
maka aliran dapat bersifat turbulen.
Kriteria transisi adalah bilangan Reynolds yang disini didasarkan atas jarak dari ujung depan pelat
dan kecepatan aliran bebas uo. Setelah transisi berlangsung, aliran pada sebagian besar lapisan batas
bersifat turbulen, akan tetapi harus ada sesuatu sub lapisan laminar dekat dinding. Analisa lapisan batas
pada dasarnyadapat berhasil bila lapisan tersebut tipis dibandingkan dengan dimensi-dimensi yangpenting seperti misalnya jarak dari ujung depan pelat. Syarat ini umumnya dipenuhi bila bilangan Reynolds
melebihi angka 104. Di luar lapisan batas, aliran dapat dianggap tidak viskos dan dapat dianalisa
berdasarkan anggapan tersebut. Berikut adalah rentang nilai Bilangan Reynold yang menetukan tipe
aliran:
laminar Re < 2300
transient2300 < Re < 4000
turbulentRe > 4000
Perlu ditambahkan, diffensiasi dan perhitungan lapisan batas sebelumnya sangat sulit dilakukan sebelum
ditemukannya Computational Fluid Dynamics.Dengan adanya CDF, lapisan batas menjadi mungkin dihitung dan dapat divisualisasikan dengan baik. Berikut adalah salah satu contohnya:
Pada gambar diatas lapisan turbulent bisa di visualisasikan dengan contour warna yang bisa memberikan
gambaran distirbusi tipe aliran. Di gambar pesawat diaatas lingkaran merah jambu menandakan lapisan
batas. CFD memnungkinkan konsep lapisan batas lebih mudah dipahami.Analisis lapisan batas ini antara lain bisa di gunakan aplikasinya dalam bidangengineering, terutama
pada bidangAeronauticalatau penerbangan.
Dalam dua pertemuan ini kami telah belajar sifat-sifat fluida dalam pipa dan memahami konsep lapisan
batas dengan baiik, semoga ilmu yang kami dapatkan bisa dimanfaatkan untuk diri sendiri dan orang lain
di kemudian hari.