Laporan Osborne Reynolds [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Di era globalisasi seperti sekarang ini banyak perkembangan yang terjadi baik dari sisi negatif maupun positif salah satu perubahan itu terjadi di dunia konstruksi khususnya bidang keairan. Salah satu mata kuliah penunjang yang memepelajari tentang keairan adalah mekanika fluida dan hidrolika Mekanika fluida adalah cabang dari ilmu fisika yang mempelajari mengenai zat fluida (cair, gas, plasma) dan gaya yang bekerja padanya. Fluida adalah suatu zat yang mengalami perubahan perubahan bentuk secara terus menerus bila terkena tekanan walaupun relatif kecil atau bisa juga di katakan suatu zat yang mengalir (subardjah ,2010). Jenis aliran pada fluida dibagi menjadi dua aliran yaitu laminar dan turbulen . aliran laminar di definisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam lapisan atau lamina lamina dengan satu lapisan melunjur secara lancar pada lapisan yang berseblahan dengan saling bertukar momentum saja. Kecenderungan ke arah ke tidak stabilan dan turbulensi di redam habis olleh gaya gaya geser viksos yang memberikan tahanan terhadap gerakan relatif fluida (syukran, 2009). Aliran turbulen adalah aliran yang di dalamnya partikel fluida bergerak pada lintasan yang sangat tidak teratur dengan mengakibatkan petukaran momentum dari suatu bagian fluida ke bagian fluida yang lain pada umumnya intensitas turbulensi meningkat dengan meningkatnya bilangan reynolds aliran akan mengalami transisi dari laminer ke turbulen. Pada aliran internal, aliran transisi, dan aliran laminar ke turbulen untuk mengetahui jenis aliran pada fluida di lakukan dengan bilangan reynolds (syukran, 2009). Bilangan reynolds merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang merupakan rasio dari gaya inersia (vsp) terhadap gaya viskos yang mengaktulisasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini di gunakan untuk mengidentifikasikan jenis aliran berbeda misalnya laminar turbulen atau transisi (syukran, 2009)



Oleh karena itu kami dari kelompok lima teknik sipil melakukan praktikum osborne reynolds yang bertempat di laboratorium keairan dan lingkunga fakultas teknik universitas Haluoleo untuk mengetahui besarnya bilangan reynolds dan koefisien geser pada aliran fluida. 1.1



Rumusan Masalah Adapun rumusan masalah dari praktikum Osborne Reynolds adalah sebagai



berikut: 1)



Bagaimana cara menghitung besarnya bilangan Reynolds ?



2)



Bagaimana cara menghitung koefisien geser ?



3)



Bagaimana mengetahui hubungan antara koefisien geser dari bilangan Reynolds ?



4)



Bagaimana cara membandingkan kesesuaian sifat aliran fluida anatar pengamatan visual pengklasifikasian secara perhitungan (teoritis) ?



1.2



Tujuan Praktikum Adapun tujuan masalah dari praktikum Osborne Reynolds adalah sebagai



berikut: 1)



Untuk mengetahui cara menghitung besarnya bilangan Reynolds ?



2)



Untuk mengetahui cara menghitung koefisien geser ?



3)



Untuk mengetahui hubungan antara koefisien geser dari bilangan Reynolds ?



4)



Untuk mengetahui cara membandingkan kesesuaian sifat aliran fluida anatar pengamatan visual pengklasifikasian secara perhitungan (teoritis) ?



1.3



Manfaat Praktikum Adapun manfaat masalah dari praktikum Osborne Reynoldsadalah sebagai



berikut: 1)



Dapat mengetahui cara menghitung besarnya bilangan Reynolds ?



2)



Dapat mengetahui cara menghitung koefisien geser ?



3)



Dapat mengetahui mengetahui hubungan antara koefisien geser dari bilangan Reynolds ?



4)



Dapat mengetahui cara membandingkan kesesuaian sifat aliran fluida anatar pengamatan visual pengklasifikasian secara perhitungan (teoritis) ?



BAB II LANDASAN TEORI 2.1



Definisi Fluida Aliran fluida atau zat cair (termasuk uap air dan gas) dibedakan dari benda



padat karena kemampuannya untuk mengukir. Fluida lebih mudah mengalir karena ikatan molekul dalam fluida jauh lebih kecil dari ikatan molekul dalam zat padat, akibatnya fluida mempunyai hambatan yang relative kecil pada perubahan bentuk karena gesekan. Zat padat mempertahankan suatu bentuk dan ukuran yang tetap, sekalipun suatu gaya yang besar diberikan pada zat padat tersebut, zat padat tidak mudah berubah bentuk maupun volumenya, sedangkan zat cair dan gas, zat cair tidak mempertahankan bentuk yang tetap, zat cair mengikuti bentuk wadahnya dan volumenya dapat diubah hanya jika diberikan padanya gaya yang sangat besar. Gas tidak mempunyai bentuk maupun volume yang tetap, gas akan berkembang mengisi seluruh wadah. Karena fase cair dan gas tidak mempertahankan suatu bentuk yang tetap, keduanya mempunyai kemampuan untuk mengalir. Dengan demikian kedua-duanya sering secara kolektif disebut sebagai fluida (Olson, 1990). 2.1



Sifat – sifat Fluida Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar



fluida. Adapun sifat-sifat dasar fluida yaitu: kerapatan (density) p, (specifi gravity) (s,g), tekanan (pressure) P, kekentaln (viscosity) µ (Iwan Yudi Karyono, 2008). 2.2.1



Kerapatan (Density) Kerapatan (density) suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi zat tersebut



dan dinyatakan dalam massa per satuan volume. Sifat ini ditentukan dengan cara menghitung perbandingan massa zat yang terkandung dalam suatu bagian tertentu terhadap volume bagian tersebut. ... (2.1) Keterangan :



M



= massa (kg)



V



= Volume (



)



= Densitas massa (



)



Dan dimensinya adalah



. Harga standarnya pada tekanan = 1,013 x



dan temperature T = 288,15 K untuk udara adalah 1,23 untuk airadalah 1000 2.2.2



dan



.



Viskositas Viskositas adalah ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau



perubahan-perubahan bentuk. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperature, hal ini disebabkan gaya-gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperature pada zat cair yang menyebabkan berturunnya viskositas dari zat cair tersebut. Viskositas dibagi menjadi dua yaitu: 1)



Viskositas Dinamik ( ) Viskositas Dinamik adalah sifat fluida yang menghubungkan tegangan geser



dengan gerakan fluida. Viskositas dinamik tampaknya sama dengan ratio tegangan geser gradient kecepatan. ... (2.2)



Keterangan : (kg/ms)



u/y 2)



= gradient kecepatan (



)



Viskositas Kinematik (v) Merupakan perbandingan Viskositas dinamik ( ) terhadap kecepatan



(densitas) massa ( ): ... (2.3)



Keterangan : /s) (kg/ms) (



)



Viskositas kinematik muncul dalam banyak penerapan, misalnya dalam bilangan Reynolds yang tanpa dimensi. Visikositas kinematik untuk air pada temperature yang tanpa dimensi. Visikositas kinematik untuk air pada temperature 26,5 celcius adalah 8,6 x



. Untuk temperatur yang berbeda, nilai



visikositas dapat dilihat pada lampiran (Iwan Yudi Karyono,2008).



2.2.3 Bilangan Reynolds Dalam mekanika fluida, Reynolds adalah rasio antara gaya intarsia (vsp) terhadap gaya viskos (



) yang mengkuantifikasikan kedua gaya tersebut



dengan sesuatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentifikasikan aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Namanya diambil dari Osborne Reynolds (1842-1912) yang mengusulkannya pada tahun 1883. Untuk membedakan jenis aliran pada suatu fluida tergantung dari besarnya bilangan Reynolds. 1.



Jika bilangan Reynolds (Re) < 2300, maka aliran tersebut dinamakan aliran laminar.



2.



Jika bilangan Reynolds (Re)= 2300, maka aliran tersebut dinamakan aliran transisi.



3.



Jika bilangan Reynolds (Re) > 2300, maka aliran tersebut dinamakan aliran turbulen. ... (2.4)



Keterangan : V d



= bilangan Reynolds = kecepatan rata-rata (m/s) = diameter dalam pipa (m)



v



q



= viskositas kinematik fluida ( ) = densitas massa fluida ( ) viskositas dinamik fluida (kg/m.s) = debit ( ) Bilangan Reynolds merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang



berfungsi untuk menentukan bentuk aliran apakah aliran suatu fluida laminar atau turbulen serta posisi relatifnya pada skala yang menunjukkan pentingnya secara relative kecenderungan turbulen terhadap kecenderungan laminar. Reynolds menemukan bahwa aliran selalu menjadi laminar bila kecepatannya diturunkan sedemikian sehingga Re lebih kecil dari 2000. Untuk instalasi pipa biasa, aliran akan berubah dari laminar menjadi turbulen dalam daerah bilangan Re dari 2000 sampai 4000. Bilangan Re yang besar menunjukkan aliran yang sangat turbulen dengan kerugian yang sebanding dengan kuadrat kecepatan. Dalam aliran laminar kerugian berbanding lurus dengan kecepatan rata-rata. Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan atau laminar-laminar dengan satu lapisan, meluncur secara lancer pada lapisan yang bersebelahan yang saling tukar menukar momentum secara molecular(Iwan Yudi Karyono, 2008).



2.3



Sifat-sifat Umum Aliran Pipa Aliran fluida nyata lebih rumit dibandingkan dengan aliran fluida ideal. Hal



ini terjadi karena pada aliran fluida ideal tidak diperhitungkan adanya viskositas dari fluida yang mengalir, sedangkan pada aliran fluida nyata hal tersebut perlu diperhitungkan. Adapun aliran dalam pipa dan hal yang mempengaruhinya antara lain sebagai berikut. 2.3.1 Aliran Laminar Dan Aliran Turbulen Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar atau aliran turbulen. Osborne Reynolds (1842-1912), ilmuwan dan ahli matematika inggris, adalah orang yang pertama kali membedakan dan mengklasifikasikan dua aliran ini dengan menggunakan peralatan sederhana seperti yang ditunjukkan pada



Gambar berikut. Aliran laminar terjadi pada partikel-partikel fluida bergerak dalam lintasan-lintasan yang sangat tidak teratur, yang mengakibatkan pertukaran momentum dari satu bagian ke bagian lainnya. Turbulensi membangkitkan tegangan geser yang lebih besar diseluruh fluida dan mengakibatkan lebih banyak ketidak



mampu



balikan



(irreversibilitas)



atau



kerugian



(Iwan



Yudi



Karyono,2008).



Gambar 2.1 Aliran fluida (Sumber : Jurnal kedokteran andalas no.2 vol. 34)



Kecenderungan ke arah ketidakstabilan dan turbulensi diredam habis oleh gaya-gaya viskos yang memberikan tahanan terhadap gerakan relative lapisanlapisan fluida yang bersebelahan. Aliran laminar mengikuti hukum Newton tentang tegangan viskositas, yang menghubungkan tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut. Aliran laminar tidak stabil dalam situasi yang menyangkut gabungan viskositas yang rendah, kecepatan yang tinggi, atau laluan aliran yang besar, serta berubah menjadi aliran turbuken. Sifat pokok aliran, yaitu laminar atau turbulen serta posisi relatifnya pada skala yang menunjukkan pentingnya secara relative kecenderungan turbulen terhadap kecenderungan laminar ditunjukkan oleh bilangan Reynolds. Dalam aliran turbulen, partikel-partikel fluida bergerak dalam lintasanlintasan yang sangat tidak teratur, dengan mengakibatkan pertukaran momentum dari satu bagian fluida ke bagian lainnya. Aliran turbulen dapat berskala kecil



yang terdiri dari sejumlah besar pusaran-pusaran kecil yang cepat mengubah energi mekanik menjadi ketikamampubalikkan melalui kerja viskos, atau dapat berskala besar seperti vorteks-vorteks dan pusaran-pusaran yang besar di sungai atau hempasan udara. Pada umumnya, intensitas turbulensi maningkat dengan meningkatnya bilangan Reynolds (Iwan Yudi Karyono,2008).



2.3.2 Transisi Dari Aliran Laminar Menuju Aliran Turbulen Aliran diklasifikasikan menjadi aliran laminar atau turbulen. Parameter bilangan Reynolds atau bilangan Mach tergantung pada situasi aliran spesifik. Misalnya, aliran di dalam sebuah pipa dan aliran sepanjang pelat datar dapat laminar atau turbulen, tergantung pada nilai bilangan Reynolds yang terlibat. Untuk aliran laminar bilangan Reynolds harus kurang dari kira-kira 2100 sedangkan untuk aliran turbulen yaitu lebih besar dari kira-kira 4000. Aliran sepanjang pelat datar transisi antara laminar dan turbulen terjadi pada bilangan Reynolds kira-kira 500.000, di mana suku panjang dalam bilangan Reynolds adalah jarak yang diukur dari ujung muka (leading edge) pelat tersebut.



Gambar 2.2 Aliran transisi (Sumber : E-jurnal Universitas Bung Hatta)



Sifat alamiah yang tidak beraturan dan acak adalah cirri khas dari aliran turbulen. Karakter dari banyak sifat penting aliran tersebut (penurunan tekanan, perpindahan kalor, dan lain-lain) sangat tergantung pada keberadaan dari sifat alamiah dari fluktuasi atau keacakan turbulen yang ditunjukkan. 2.3.3 Tekanan dan Tegangan Geser



Beda tekanan (



) antara satu bagian pipa horizontal mendorong



fluida mengalir melewati pipa. Efek viskos memberikan efek gaya penghambat sehingga mengimbangi gaya tekan, jika efek viskos tidak ada dalam aliran, tekanan akan konstan diseluruh pipa. Dalam daerah aliran yang tidak berkembang penuh, seperti pada daerah masuk sebuah pipa, fluida mengalami percepatan atau perlambatan selagi mengalir, pada daerah masuk terdapat keseimbangan antara gaya-gaya tekanan, viskos dan inersia (percepatan). Hasilnya adalah distribusi tekanan sepanjang pipa horizontal seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Besarnya gradient tekanan lebih besar didaerah masuk daripada didaerah berkembang penuh dimana gradient tersebut merupakan sebuah konstanta. Sifat alamiah aliran pipa sangat tergantung apakah aliran tersebut laminar atau turbulen.



Gambar 2.3 Tegangan tarik, Tegangan tekan dan Tegangan Geser (Sumber :J. Bird dan C. Ross, 2002) 2.4



Analisis Dimensional Aliran Pipa Adapun beberapa analisis dimensional pada aliran pipa dapat berupa faktor



yang mempegaruhi aliran dalam pipa, serta daerah masuk dan aliran berkembang penuh. 2.4.1 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Aliran Dalam Pipa Aliran fluida dalam pipa banyak dipengaruhi oleh berbagai macam faktor yang mengakibatkan penurunan tekanan atau kerugian tekanan sepanjang aliran pipa tersebut, Yaitu:



1.



Viskositas, densitas, kecepatan aloiran fluida



2.



Perubahan temperatur fluida yang mengubah viskositas dan densitas fluida.



3.



Panjang, diameter dalam, pengaruh aliran turbulen, dan kekasaran permukaan pipa.



4.



Posisi dari pada sungai dan tempat masukan fluida yang dihubungkan dengan posisi pompa



5.



Pengaruh struktur pipa misalnya dalam penambahan yang mempengaruhi aliran



6.



Jumlah dan jenis belokan dalam sistem pemipaan



7.



Jumlah dan jenis katup dan sambungan dalam layout pipa



8.



Kondisi masukan dan keluaran aliran fluida dalam pipa



2.4.2 Daerah Masuk Dan Aliran Berkembang Penuh Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah masuk (entrance region) dan diilustrasikan pada Gambar 2.4. sebagaimana ditunjukkan pada gambar tersebut, fluida umumnya memasuki pipa dengan profil kecepatan yang hamper seragam pada bagian (1). Saat fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap menempel pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa-slip). Hal ini berlaku jika fluidanya adalah udara yang relatif inviscid ataupun minyak yang sangat viskos. Jadi, lapisan batas di mana efek viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa sedemikian hingga profil kecepatan awal berubah menurut jarak 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.



Lapisan batas semakin tebal sehingga memenuhi



pipa secara menyeluruh. Efek viskos sangat penting di dalam lapisan batas. Untuk fluida di luar lapisan batas (di dalam inti inviscid/inviscid core yang mengelilingi garis sumbu dari (1) ke (2), efek viskos dapat diabaikan. Bentuk dari profil kecepatan di dalam pipa tergantung pada apakah aliran laminar atau turbulen, sebagaimana pula panjang daerah masuk,



Gambar 2.4 Daerah Masuk Dan Aliran Berkembang Penuh (Sumber : Ardhelas, 2013) Seperti pada banyak sifat lainya dari aliran pipa, panjang masuk tak berdimensi,



/D, berkorelasi cukup baik dengan bilangan Reynolds. Panjang



masuk pada umumnya diberikan oleh hubungan: 1.



/D= 0,06Re untuk aliran laminar



2.



/D=4,4



untuk aliran turbulen



Untuk aliran-aliran dengan Reynolds sangat rendah panjang masuk dapat sangat pendek ( = 0,6D jika Re =10), sementara untuk aliran-aliran dengan bilangan Reynolds besar daerah masuk tersebut dapat sepanjang berkali-kali diameter pipa sebelum ujung akhir dari daerah masuk dicapai ( = 120D untuk Re = 2000). Untuk banyak masalah-masalah teknik praktis