Dasar Teori Osborne Reynold [PDF]

Citation preview

Dasar Teori Fluida merupakan zat cair yang memiliki bentuk beragam dan memiliki perilaku tertentu. Fluida dapat mengalir di dalam pipa atau saluran dengan dua cara. Pertama, pada pipa atau saluran dengan laju aliran rendah terjadi penurunan tekanan dalam fluida, bertambah secara langsung menurut kecepatan fluidanya. Kedua, pada laju aliran tinggi adanya pertambahan jauh lebih besar atau lebih cepat lagi, yaitu berkisar pangkat dua dari kecepatan. Perbedaan antara kedua jenis aliran pertama kali ditunjukkan dalam percobaan oleh Osborne Reynolds (1883). Dimana dalam percobaan tersebut, sebuah gelas dibenamkan dalam tangki gelas silinder yang berisi air. Aliran awal yang stabil kemudian dilakukan beberapa kondisi di dalam tabung itu dengan membuka salah satu katup. Pintu masuk ke dalam tabung dilebarkan dan disediakan fasilitas untuk measukkan satu filamen air berwarna dari suatu bejana yang ditempatkan di atas, ke dalam arus pada lubang masuk tabung (Mc Cabe dkk., 1993). Reynolds menemukan bahwa pada laju alir rendah berwarna tersebut mengalir tanpa gangguan serta bersamaan dengan aliran utama dan tidak terlihat adanya campuran yang menyilang. Perlakuan ini dapat menunjukkan bahwa air mengalir menurut garis lurus yang sejajar dan aliran tersebut bersifat laminar. Bila laju alir ditingkatkan maka dicapai suatu kecepatan yang disebut kecepatan kritis dimana benang warna menjadi gelombang dan berangsur menghilang karena tersebar ke seluruh penampang air. Perilaku ini menunjukkan bahwa aliran air tidak lagi laminar tetapi bergerak kemana-mana dalam bentuk aliransilang dengan pusaran yang dinamakan aliran turbulen (Mc Cabe dkk., 1993). Reynolds mempelajari kondisi pada dua aliran dimana kecepatan kritis tergantung pada diameter tube, kecepatan fluida, densitas dan viskositas. Selanjutnya Reynolds menunjukkan kombinasi keempat faktor tersebut sebagai berikut: NRe =



D× V × ρ .......(5.1) μ



Dimana : NRe = Bilangan Reynolds D



= Inside diameter pipa (m)



V



= Kecepatan rata-rata liquid (volume rata-rata aliran per suctional



area dari pipa) (m/s) ρ



= Densitas (kg/m3)



μ



= Viskositas (Pa.s)



Fungsi-fungsi ini dikenal sebagai Reynolds Number yang tidak berdimensi untuk pipa lurus sirkular, saat Reynolds Number kurang dari 2000, aliran akan selalu viskos. Namun ketika Reynolds Number lebih dari 4000, aliran akan menjadi turbulen kecuali dalam keadaan yang sangat khusus. Daerah antara nilai ini mungkin laminar atau turbulen (Mc Cabe dkk., 1993). Reynold menyatakan formasi olakan dimulai di tengah tube untuk membentuk inti dari aktivitas olakan. Kesimpulan yang didapat ditunjukkan dari eksperimen Reynold adalah (Foust, 1991) : 1.



Di atas kecepatan tertentu luas permukaan dari olakan menyeberang aliran dengan gerakan alat.



2.



Pergerakan atau olakan terjadi lebih besar di tengah tube.



3.



Kenaikan kecepatan memperluas inti turbulen sampai tube dipenuhi aktivitas olakan. Aliran dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori, aliran incompressible



dan



aliran



compressible.



Umumnya,



cairan



termasuk



dalam



kategori



incompressible sedangkan gas termasuk compressible. Fluida ideal dapat ditandai sebagai fluida nonviskos dari incoduting. Aliran fluida incompressible diklasifikasikan oleh rasio gaya inersia terhadap gaya viskos. Rasio ini ditunjukkan oleh bilangan Reynold (NRe). Pada bilangan Reynold yang rendah aliran disebut aliran laminar, sedangkan pada ilangan Reynold yang tinggi aliran disebut aliran turbulen (Perry, 1997). Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada kenyataan apakah fluida itu berada di bawah pengaruh bidang batas padat atu tidak. Di bawah apabila ada pengaruh banding, tegangan geser mungkin mendekati perilaku fluida



ideal yang tidak mampu mampat dan memiliki viskositas nol. Di dalam arus batas padat terdapat empat efek yang sangat penting, yaitu (Mc Cabe dkk., 1993) : 1.



Gabungan antara medan gradien kecepatan dengan medan tegangan geser.



2.



Terbentuknya turbulen.



3.



Terbentuknya dan berkembangnya lapisan atas.



4.



Pemisahan lapisan batas kontak dengan batas padat. Kecepatan linear sejumlah fluida yang mengalir melalui sebuah pipa tidak



terbatas. Pada aliran turbulen, kecepatannya linear tetapi berbandinglurus dengan berbagai diameter pipa. Pada aliran turbulen, kecepatannya tidak linear dan konstan setiap diameter pada pipa. Artinya kecepatannya ditentukan oleh volume fluida yang mengalir memberikan poin atau yang dilepaskan sistem alir per detik oleh luas penampang pipa. Di dalam aliran laminar, cairan bergerak memberikan pengaruh atas fluida yang mengalir ditentukan oleh besarnya sifat cairan terutama viskositas cairan (Brown, 1956). Pada aliran laminar, fluida berlaku sebagai lapisan konsentrasi yang mengalir dengan kecepatan maksimum. Pada bagian dinding pipa dengan parabola. Jika warna diinjeksikan pada laju aliran rendah, zat warna mengalir tanpa adanya gangguan bersama laju aliran umum dan tidak terlihat adanya difusi molekular.



Gambar 5.1 Pola Aliran Laminar



Pada aliran pipa yang turbulen, zat warna yang diinjeksi akan tercampur secara cepat karena pergerakan lateral di dalam aliran dan perilaku zat warna terlihat tidak beraturan akibat ketidakseimbangannya. Gambar 5.1 mewakili daerah



laminar untuk bilangan Reynold di bawah 2000. Pada permukaan pipa cairan mengalir secara efektif mengenai dinding pipa dan kekerasan pipa hanya memcerikan pengaruh atas fluida yang mengalir yang ditentukan oleh besarnya sifat cairan terutama viskositas (Mc Cabe dkk., 1999). terutama viskositas (Mc Cabe dkk., 1999).



Gambar 5.2 Pola Aliran Turbulen



Keadaan aliran laminar dan turbulen secara sederhana divisualisasikan oleh eksperimen yang ditunjukkan oleh gambar berikut (Geankoplis, 1997) :



Gambar 5.3 Eksperimen Reynold untuk Membedakan Jenis Aliran (a) Laminar dan (b) Turbulen Profil-profil kecepatan dan mekanisme transfer momentum untuk daerah aliran laminar dan turbulen cukup berbeda. Aliran laminar juga terlihat mengalami



transisi ke arah turbulen pada bilangan Reynolds tertentu. Sejauh ini peristiwa untuk aliran transisi telah dinyatakan lewat bilangan Reynolds saja, sementara berbagai faktor selain Re sebenarnya mempengaruhi tansisi. Bagaimanapun juga, bilangan Reynolds tetap menjadi parameter utama untuk memprediksi transisi. Tabel 5.1 menunjukkan pengaruh beberapa faktor tersebut pada bilangan Reynolds transisi (Welty dkk., 2004) : Tabel 5.1 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Bilangan Reynolds pada Transisi dari Aliran Laminar sampai Turbulen Faktor Gradien tekanan



Pengaruh tekanan yang diharapkan



Gradien



Turbulensi arus-bebas



memperlambat transisi Turbulensi arus-bebas menurunkan bilangan



Kekasaran Hisapan (suction) Kelengkungan dinding



Reynolds transisi Menurunkan transisi dalam aliran eksternal Hisapan banyak menaikkan Re transisi Konveks menaikkan Re, konkaf menurunkan



Temperatur dinding



Re Dinding dingin menaikkan Re transisi, dinding



akan



panas menurunkan Re transisi



Keadaan laminar dan turbulen secara sederhana dapat divisualisasikan oleh eksperimen Reynolds untuk membedakan jenis aliranlaminar dan turbulen. Air dibiarkan mengalir steady state melalui pipa transparan dengan kecepatan alir yang dikontrol oleh sebuah kran di ujung pipa. Aliran zat warna yang perlu diamati pada kecepatan rendah, aliran zat warna teratur dan terbentuk garis lurus yang dihasilkan. Tipe aliran ini disebut aliran laminar. Adanya peningkatan kecepatan, pada kecepatan tertentu menimbulkan benang atau garis zat menjadi terdispersi dan sangat kacau. Tipe aliran ini dikenal sebagai aliran turbulen. Kecepatan dimana aliran ini berubah disebut kecepatan kritis (Geankoplis, 1997).



DAFTAR PUSTAKA Brown, G. G. (1956) : Unit Operations. John Wiley and Sons, Inc. New York. Foust, A. S. dan L. A. Warzel. (1991) : Principle of Unit Operation. John Wiley and Sons, Inc. New York. Geankoplis, C. J. (1997) : Transport Processes and Unit Operations 3rd Edition. Prentice-Hall International, Inc. New York. Geankoplis, C. J. (2003) : Transport Processes and Unit Operations 4rd Edition. Prentice-Hall International, Inc. New Jersey. Mc Cabe, W. L., Smith J. C., dan Harriot P. (1986) : Unit Operation of Chemical Engineering 4th Edition. Mc Graw Hill. New York. Mc Cabe, W. L., Smith J. C., dan Harriot P. (1993) : Unit Operation of Chemical Engineering 5th Edition. Mc Graw Hill. New York. Perry, R. H. (1997) : Perry’s Chemical Engineering Handbook 7th Edition. Mc Graw Hill International, Inc. New York. Welty, J. R., dkk. (2004) : Dasar-dasar Fenomena Transport Volume 1 Edisi Keempat. Erlangga. Jakarta.