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)