Rekayasa Energi: Review Perbedaan Jenis dan Sifat Aliran Fluida1. Laminar dan TurbulenOrang yang pertama kali membedakan aliran laminar dan turbulen adalah Osborne Reynolds yang membuat bilangan Reynolds, Re = VD/. Aliran tersebut merupakan aliran dalam pipa.a. LaminarAliran 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. TurbulenAliran 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-Newtoniana. NewtonianFluida 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-NewtonianFluida 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 incompressiblea. CompressibleFluida yang compressible adalah fluida yang kerapatannya dapat berubah karena perubahan tekanan dan temperatur. Contoh fluida compressible adalah gas nitrogen dan oksigen.

b. IncompressibleFluida yang incompressible adalah fluida yang kerapatannya konstan terhadap perubahan tekanan. Contoh fluida incompressible adalah air.

4. Inviscid dan Viscousa. InviscidFluida 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. ViscousFluida 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 () 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= .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 () antara titik-titik awal fluida saat pelat atas diam dengan titik-titik fluida setelah pelat atas digerakkan dengan gayaPsejauh a 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 Unsteadya. SteadySteady 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 fungsis, yaitu lokasi (posisi partikel) diswepanjang garis arus tersebut (V = V(s), P = P(s), = (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. UnsteadyUsteady 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 fungsismelainkan juga dalam fungsi waktu (V = V(s,t), P = P(s,t),=(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 Multiphasea. OnephaseAliran 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. MultiphaseAliran 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 flowa. Internal flowAliran 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 flowAliran 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 Irrotationala. RotationalAliran 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. IrrotationalAliran tak rotasional terjadi apabila distribusi kecepatan di tiap dinding batas merata sehingga patikel fluida tersebut tidak berotasi terhadap pusat massanya.