INTERNAL FLOW PDF

Preview

Summary

RESUME INTERNAL FLOW Disusun untuk melengkapi Tugas Fenomena Transport kelas A Teknik Fisika - Fakultas Teknologi Industri - ITS Disusun oleh : 1. Dionisius Andy K 2411 100 106 1 1. Pengertian Internal Flow Perbedaan mendasar antara aliran pada saluran terbuka dan aliran internal adalah adanya permu...

Description

RESUME INTERNAL FLOW Disusun untuk melengkapi Tugas Fenomena Transport kelas A Teknik Fisika - Fakultas Teknologi Industri - ITS

Disusun oleh : 1. Dionisius Andy K

2411 100 106

1

1. Pengertian Internal Flow Perbedaan mendasar antara aliran pada saluran terbuka dan aliran internal adalah adanya permukaan yang bebas yang berupa udara pada saluran terbuka. Jadi seandainya pada pipa alirannya tidak penuh sehingga masih ada rongga yang berisi udaramaka sifat dan karakteristik alirannya sama dengan aliran pada saluran terbuka. Misalnya aliran air pada gorong-gorong. Pada kondisi saluran penuh air,desainnya harus mengikuti kaidah aliran internal, namun bila mana aliran air pada gorong-gorong didesain tidak penuh maka sifat alirannya adalah sama dengan aliran pada saluran terbuka. Oleh karena itu konsep analisis aliran pada pipa harus dalam kondisi pipa terisi penuh dengan air. Zat cair riil didefinisikan sebagi zat yang mempunyai kekentalan, berbeda dengan zatair ideal yang tidak mempunyai kekentalan. Kekentalan disebabkan karena adanya sifat kohesi antara partikel zat cair. Karena adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan kecepatan partikel dalam medan aliran. Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak. Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas.Aliran zat cair riil disebut juga aliran viskos. Aliran viskos adalah aliran zat cair yang mempunyai kekentalan (viskositas). Viskositas terjadi pada temperature tertentu. Tabel 1.1 memberikaan sifat air (viskositas kinematik) pada tekanan atmosfer dan beberapa temperature. Kekentalan adalah sifat zat cair yang dapat menyebabkan terjadinya tegangan geser pada waktu bergerak. Tegangan geser ini akan mengubah sebagian energi aliran dalam bentuk energy lain seperti panas, suara, dansebagainya. Perubahan bentuk energi tersebut menyebabkan terjadinya kehilangan energi. Tabel 1.1 viskositas kinematik

2

2. Sifat-Sifat Umum Aliran internal Sebelum menerapkan berbagai persamaan pengatur pada contoh-contoh aliran pipa, kita akan membahas beberapa konsep dasar aliran pipa. Walapun tidak seluruh saluran yang digunakan untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke tempat lainnya mempunyai penampang bundar, namun kebanyakan yang digunakan adalah yang seperti itu. Saluran ini meliputi pipa-pipa air, selang-selang hidrolik dan saluran-saluran lainnya yang dirancang untuk menahan perbedaan tekanan yang sangat besar melintasi dinding-dindingnya tanpa mengakibatkan perubahan bentuk. Saluran-saluran yang tidak berpenampang bundar meliputi antara lain saluran-saluran duct untuk pemanasan dan pengkondisian udara yang biasanya berpenampang segiempat. Biasanya perbedaan tekanan antara bagian dalam dan luar saluransaluran duct relatif kecil. Sebagian besar prinsip dasar yang terlibat tidak tergantung pada bentuk penampang, meskipun gambaran rinci aliran mungkin tergantung padanya. Jika tidak ditentukan sebelumnya, kita akan meng-asumsikan bahwa saluran berpenampang bundar, meskipun buku ini akan menunjukkan cara untuk menangani bentuk-bentuk yang lainnya. Untuk seluruh aliran yang terlibat dalam bab ini, kita akan mengasumsi-kan bahwa pipa terisi penuh oleh fluida. Perbedaan antara aliran kanal-terbuka dan aliran pipa pada bab ini adalah pada mekanisme dasar yang menggerakkan aliran. Untuk aliran kanal-terbuka, hanya gravitasi yang menjadi gaya penggeraknya—air mengalir menuruni sebuah lereng. Untuk aliran pipa, gravitasi mungkin memiliki arti penting (pipa tidak selalu horizontal), tetapi gaya penggerak yang utamanya adalah gradien tekanan sepanjang pipa. Jika pipa tidak terisi penuh, tidaklah mungkin untuk menjaga perbedaan tekanan, p1 - p2 ini.

Gambar 2.1 Macam-macam Penampang Aliran

3

3. Sifat-Sifat Aliran Menurut Bilangan Reynold Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar atau aliran turbulen. Osborne Reynolds, adalah orang yang pertama kali membedakan dua klasifikasi aliran. Jika air mengalir melalui sebuah pipa ber-diameter D dengan kecepatan rata-rata V, sifat-sifat berikut ini dapat diamati dengan menginjeksikan zat pewarna yang mengambang seperti ditunjukkan. Untuk "laju aliran yang cukup kecil" guratan zat pewarna (sebuah garisgurat) akan tetap berupa garis yang terlihat jelas selama mengalir, dengan hanya sedikit saja menjadi kabur karena difusi molekuler dari zat pewarna ke air di sekelilingnya. Untuk suatu "laju aliran sedang" yang lebih besar, guratan zat pewarna berfluktuasi menurut waktu dan ruang, dan olakan putus-putus dengan perilaku tak beraturan muncul di sepanjang guratan. Sementara itu, untuk "laju aliran yang cukup besar" guratan zat pewarna dengan sangat segera menjadi kabur dan menyebar di seluruh pipa dengan pola yang acak. Ketiga karakteristik ini, yang masing-masing disebut sebagai aliran laminar, transisi dan turbulen, diilustrasikan pada Gambar dibawah.

Gambar 3.1 Percobaan Reynold

Untuk aliran pipa parameter tak berdimensi yang paling penting adalah bilangan Reynolds, Re—perbandingan antara efek inersia dan viskos dalam aliran. Dengan demikian pada paragraf sebelumnya, istilah laju aliran harus diganti dengan bilangan Reynolds, Re = pVD/μ………………..3.1 di mana V adalah kecepatan rata-rata di dalam pipa. Artinya, aliran di dalam sebuah pipa adalah laminar, transisi atau turbulen jika bilangan Reynoldsnya "cukup kecil", "sedang" atau "cukup besar". Bukan hanya kecepatan fluida yang menentukan sifat aliran—namun kerapatan, viskositas dan diameter pipa juga sama pentingnya. 4

Kisaran bilangan Reynolds di mana akan diperoleh aliran pipa yang laminar, transisi atau turbulen tidak dapat ditentukan dengan tepat. Transisi yang aktual dari aliran laminar ke turbulen mungkin berlangsung pada berbagai bilangan Reynolds, tergantung pada berapa besar afiran terganggu oleh getaran pipa, kekasaran dari daerah masuk, dan hal-hal sejenis, lainnya. Untuk keperluan teknik pada umumnya (artinya tanpa upaya menghilangkan terlebih dahulu gangguan-gangguan tersebut), nilai-nilai berikut cukup memadai: Aliran di dalam pipa bundar adalah laminar jika bilangan Reynoldsnya kurang dari kira-kira 2100. Aliran di dalam pipa bundar adalah turbulen jika bilangan Reynoldsnya lebih besar dari kira-kira 4000. Untuk bilangan Reynolds di antara kedua batas ini, aliran mungkin berubah dari keadaan laminar menjadi turbulen dengan perilaku acak yang jelas (aliran transisi).

4. Daerah Masuk dan Aliran Berkembang Penuh Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah masuk (entrance region) dan diilustrasikan pada Gambar 4.1. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4.1 fluida biasanya memasuki pipa dengan profil kecepatan yang hampir seragam pada bagian (1). Selagi fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap menempel pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa-slip). Hal ini berlaku baik jika fluidanya adalah udara yang relatif inviscid ataupun minyak yang sangat viskos. Jadi, sebuah lapisan batas (boundary layer) di mana efek viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa sedemikian hingga profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang pipa, x, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk, bagian (2), di mana setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi menurut x.

Gambar 4.1 Aliran Berkembang Penuh Pada Pipa

Perhitungan profil kecepatan dan distribusi tekanan di dalam daerah masuk sangat rumit. Namun, apabila fluida telah mencapai ujung akhir dari daerah masuk, bagian (2) dari Gambar 4.1, aliran lebih mudah digambarkan karena kecepatan hanyalah fungsi jarak dari

5

sumbu pipa, r, dan tidak tergantung pada jc. Hal ini berlaku sampai sifat dari pipa berubah karena sesuatu hal, misalnya perubahan diameter, atau sampai fluida mengalir melalui sebuah belokan, katup, atau komponen lainnya pada bagian (3). Aliran antara (2) dan (3) disebut berkembang penuh (fully developed). Setelah gangguan atas aliran berkembang penuh [pada bagian (4)], aliran secara bertahap mulai kembali ke sifat berkembang penuhnya [bagian (5)] dan terus dengan profil ini sampai komponen pipa berikutnya dicapai [bagian (6)]. Dalam banyak kasus pipa cukup panjang sehingga terdapat panjang aliran berkembang penuh yang lebih besar dibandingkan dengan panjang aliran yang sedang berkembang [(x3 - x2) » le dan [(x6- x5) » [(x5 - x4)]. Dalam kasus lainnya, jarak antara satu komponen (belokan, cabang T, katup, dan lain-Iain) dari sistem pipa dengan komponen berikutnya sedemikian pendek sehingga aliran berkembang penuh tidak pernah tercapai.

5. Kehilangan Energi (head losses) Zat cair yang ada di alam ini mempunyai kekentalan, meskipun demikian dalam berbagai perhitungan mekanika fluida ada yang dikenal atau dianggap sebagai fluida ideal. adanya kekentalan pada fluida pada waktu bergerak. Tegangan

akan menyebabkan terjadinya tegangan

geser

geser ini akan merubah sebagian energialiran menjadi

bentuk energi lain seperti panas, suara dan sebagainya. Pengubahan bentuk energi tersebut menyebabkan terjadinya kehilangan energi. Secara umum didalam suatu instalasi jaringan pipa dikenal dua macam kehilangan energy,

a. Kehilangan energi akibat gesekan Disebut juga kehilangan energi primer atau

major loss . Terjadi akibat

adanya

kekentalan zatcair dan turbulensi karena adanya kekasaran dinding batas pipa dan akan menimbulkan gaya gesek yang akan menyebabkan kehilangan energi disepanjang pipa dengan diameter konstanpada aliran seragam.

Untuk menghitung kerugian gesek antara dinding pipa dengan aliran fluida tanpa adanya perubahan luas penampang di dalam pipa dapat dipakai rumus Darcy yang secara matematis ditulis sebagai berikut:dengan : hf = head loss mayor (m) f = koefisien gesekan L = panjang pipa (m) D = diameter dalam pipa (m) v = kecepatan aliran dalam pipa (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2)

6

Untuk aliran laminer dan turbulen terdapat rumus yang berbeda. Sebagai patokan apakah suatu aliran itu laminer atau turbulen, dipakai bilangan Reynolds: 



Aliran laminar

Aliran tubulen Untuk menghitung koefisien gesek f dapat dihitung dengan menggunakan rumus Darcy. Untuk mengetahui nilai f harus diketahui kekasaran pipa (ε) dan diameter pipa (d). Haaland memberikan suatu formula yang menyempurnakan persamaan yang ditemukan oleh Colebrook untuk menentukan nilai f :

Persamaan di atas oleh Moody pada tahun 1944 digrafikkan yang terkenal dengan nama Diagram Moody untuk gesekan pipa. Dengan diagram inilah dapat diketahui nilai koefisien gesekan pipa.

Gambar 5.1. Diagram Moody

b. Kehilangan energi akibat perubahan penampang dan aksesoris lainnya Kehilangan energi akibat perubahan penampang dan aksesoris lainnya disebut juga kehilangan energi sekunder atau minor

loss

.Misalnya

terjadi

pada

pembesaran

tampang (expansion), pengecilan penampang (contraction), belokan atau tikungan. Secara umum head losses minor dinyatakan secara umum dengan rumus:

dengan: 7

h = head loss minor K = koefisien resistansi valve atau fitting berdasarkan bentuk dan ukuran v = kecepatan rata-rata aliran dalam pipa (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2)

6. Perubahan Penampang Pipa Disamping adanya kehilangan energi akibat gesekan, terjadi pula energy akibat perubahan penampang

yang

biasanya

jauh

lebih

besar

kehilangan dari

pada

kehilangan energi akibat gesekan.

a. Pembesaran Penampang Perbesaran penampang mendadak dari aliran seperti yang ditunjukan pada gambar mengakibatkan kenaikan tekanan dari P1 menjadi P2 dan kecepatan

turun dari

V1menjadi V2. Pada tempat disekitar perbesaran penampang (1) akan terjadi olakan dan aliran akan normal kembali mulai dari tampang (2). Di darah dan 2 terjadi pemisahan aliran.

Gambar 6. 1 Pembesaran Penampang Kehilangan energi diberikan oleh persamaan berikut :

8

antara tampang 1

b. Pengecilan Penampang Kehilangan energy pada pengecilan penampang dapat dihitung sdengan persamaan berikut,

9...