Post on 28-Apr-2015
description
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Aliran Fluida
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)
(Madang, 2011).
2.2 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
(Ferdinan, 2007).
2.3 Pola AliranLaminar 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 (Divo, 2008).
Gambar 2.1 Pola Aliran Turbulen dan Laminar
(Divo, 2008)
Laminar
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 :
NRe =v D❑ (Gultom, 2011)
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 (Gultom, 2011).
2.4 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 2.2 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)
2.5 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 (Ferdinan, 2007).
2.5.1 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 (Ferdinan, 2007).
Gambar 2.3 Venturimeter
(Ferdinan, 2007)
2.5.2 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 (Ferdinan, 2007).
Gambar 2.4 Flow Nozzle
(Ferdinan, 2007)
2.5.3 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 (Ferdinan, 2007).
Gambar 2.5 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 (Ferdinan, 2007).
2.6 Aplikasi Aliran Fluida dengan Penampang Berubah
2.6.1 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 (Faruk dan
Kamiran, 2012).
Gambar 2.6 Struktur Lapisan Batas
(Faruk dan Kamiran, 2012)