Mekanika Fluida(Macam-Macam Aliran Zat Cair)

Dinamika fluida adalah subdisiplin dari mekanika fluida yang mempelajari fluida bergerak. Fluida terutama cairan dan gas. Penyelesaian dari masalah dinamika fluida biasanya melibatkan perhitungan banyak properti dari fluida, seperti kecepatan, tekanan, kepadatan, dan suhu, sebagai fungsi ruang dan waktu. Disiplini ini memiliki beberapa subdisiplin termasuk aerodinamika (penelitian gas) dan hidrodinamika (penelitian cairan). Dinamika fluida memliki aplikasi yang luas. Contohnya, digunakan dalam menghitung gaya dan moment pada pesawat, mass flow rate dari petroleum dalam jalur pipa, dan perkiraan pola cuaca, dan bahkan teknik lalu lintas, di mana lalu lintas diperlakukan sebagai fluid yang berkelanjutan. Dinamika fluida menawarkan struktur matematika yang membawahi disiplin praktis tersebut yang juga seringkali memerlukan hukum empirik dan semi-empirik, diturunkan dari pengukuran arus, untuk menyelesaikan masalah praktikal.

Sebelum melangkah lebih jauh, alangkah baiknya jika kita mengenali cirri-ciri umum lainnya dari aliran fluida.

1. Aliran fluida bisa berupa aliran tunak (steady) dan aliran tak tunak (nonsteady).

Apa yang dimaksud dengan aliran tunak dan tak tunak ?

tunak jika kecepatan setiap partikel di suatu titik selalu sama. Katakanlah partikel fluida mengalir melewati titik A dengan kecepatan tertentu, lalu partikel fluida tersebut mengalir dengan kecepatan tertentu di titik B. nah, ketika partikel fluida lainnya yang nyusul dari belakang melewati titik A,kecepatan alirannya sama dengan partikel fluida yang bergerak mendahului mereka. Hal ini terjadi apabila laju aliran fluida rendah alias partikel fluida tidak kebut kebutan. Contohnya adalah air yang mengalir dengan tenang. Lalu bagaimanakah dengan aliran taktunak ? aliran tak tunak berlawanan

dengan aliran tunak. Jadi kecepatan partikel fluida di suatu titik yang sama selalu berubah. Kecepatan partikel fluida yang awal berbeda dengan kecepatan partikel fluida yang akhir.

2. Aliran fluida bisa berupa aliran termampatkan (compressible) dan aliran taktermapatkan (incompressible). Jika fluida yang mengalir mengalami perubahan volume (atau massa jenis) ketika fluida tersebut ditekan, maka aliran fluida itu disebut aliran termapatkan. Sebaliknya apabila jika fluida yang mengalir tidak mengalami perubahan volum (atau massa jenis) ketika ditekan, maka aliran fluida

tersebut dikatakan tak termampatkan. Kebanyakan zat cair yang mengalir bersifat tak]termampatkan.

3. Aliran fluida bisa berupa aliran berolak (rotational) dan aliran tak berolak (irrotational).Untuk memahaminya dengan mudah, kita bisa membayangkan

sebuah kincir mainan yang dibuang ke dalam air yang mengalir. Jika kincir itu bergerak tapi tidak berputar, maka gerakannya adalah tak berolak. Sebaliknya jika bergerak sambil berputar maka gerakannya kita sebut berolak. Contoh lain adalah pusaran air.

4. Aliran fluida bisa berupa aliran kental (viscous) dan aliran tak kental (non viscous). Kekentalan dalam fluida itu mirip seperti gesekan pada benda padat. Makin kental fluida, gesekan antara partikel fluida makin besar. Mengenai viskositas alias kekentalan .fluida yang tunak, tak]kental, tak]temampatkan dan tak]berolak.

Aliran fluida dapat diaktegorikan:

1. Aliran Laminar Turbulen,dan Transisi

Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan – lapisan, atau lamina – lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar . Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relatif antara lapisan. Sehingga aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton yaitu :

Aliran turbulen:

Aliran dimana pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian – kerugian aliran.

Aliran transisi:

Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran

turbulen.

Perbandingan yang disebabkan oleh gaya inersia,garfitasi,dan kekentalan dikenal sebagai bilangan Reinolds (Re) ditulis sebagai berikut:

Dalam hal ini,jika nilai Re aliran akan meluncur di atas lapisan lain yang dikenal sebagai aliran laminar,sedangkan aliran-aliran tidak terdapat pada garis edar tertentu inilah yang disebut dengan aliran Turbulen

2. Aliran mantap (steady flow) dan tak mantap (unsteady flow). Aliran mantap (steady flow)

Aliran mantap terjadi jika variabel dari aliran (seperti kecepatanV, tekanan p, rapat massa r, tampang aliranA, debit Q, dsb) disembarang titik pada zat cair tidak berubah dengan waktu. Aliran tak mantap (unsteady flow) terjadi jika variabel aliran pada setiaP titik berubah dengan waktu. Aliran fluida tunak (stedy) dan tak tunak (non-stedy,bergantung waktu). Pada aliran tunak parameter-parameter aliran dan bersifat tetap dan tak bergantung waktu jadi hanya bergantung posisi saja. Sedangkan pada aliran tak tunak baik r maupun secara umum bergantung pada parameter waktu t dan posisi (X,Y,Z)

3. Aliran Seragam dan Tak Seragam

Aliran seragam dan tak seragam. Aliran disebut seragam (uniform flow)

apabila tidak ada perubahan besar dan arah dari kecepatan dari satu titik ke titik yang lain d sepanjang aliran. Aliran seragam merupakan aliran yang tidak berubah berubah menurut menurut tempat tempat. . Konsep Konsep aliran aliran seragam dan aliran kritis sangat diperlukan dalam peninjauan aliran berubah dengan cepat atau berubah lambat laun. Perhitungan kedalaman kritis dan kedalaman normal sangat penting untuk menentukan perubahan permukaan aliran akibat gangguan pada aliran.

Aliran tak seragam terjadi jika variable aliran berubah terhadap jarak

Ciri-ciri aliran seragam:

Kedakaman aliran

v Luas penampang Pada sepanjang daerah yang lurus adalah sama

v Kecepatan trata-rata

v Debit persatuan waktu

Ciri-ciri Lain:

Garis energy

Muka air Sejajar atau

v Dasar saluran

4. Aliran Invisid dan Viskositas

Aliran Invisid yaitu suatu fluida yang diasumsikan mempunyai viskositas nol. Jika viskositas nol maka kondiuktivitas thermal fluida tersebut juga nol dan tidak akan terjadi perpindahan kalor kecuali dengan cara radiasi. Dalam prakteknya, fluida inviscid tidak ada, karena pada setiap fluida timbul tegangan geser apabila padanya dikenakan juga suatu laju perpindahan regangan.

Aliran Viskos adalah aliran yang memperhitungkan kekentalan(Viskositas) zat cair rill

Aliran kental (viscous) dan tak kental (non viscous ) Suatu aliran dikatakan kental bila ketika terjadi gerak relatif antar berbagai lapisan (layer) yang bergerak sejajar,terjadi gesekan internal sehingga terjadi desipasi energi.Bila gesekan internal ini tak terjadi maka aliran tersebut sebagai aliran tak ke internal in dinyatakan dalam parameter viskositas. Pada aliran tunak,didalam aliran didapat garis-garis alir atau garis arus yang disebut streamline. Partkel-partikel digaris arus ini bergerak mengikuti garis arus tersebut.Kecepatan digaris yang sama berbeda-beda, bergantung pada penampang lintang tempat tersebut tetapi semua partikel/molekul yang lewat dititk yang sama kecepatannya sama(tidak bergantung waktu, hanya bergantung tempat)

Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekularnya. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur hal ini disebabkan gaya – gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunya viskositas dari zat cair tersebut

viskositas dinamik adalah sifat fluida yang menghubungkan tegangan geser dengan gerakan fluida

Nilai viskositas tergantung dari fluida tertentu dan sangat tergantung terhadap temperatur. Seperti yang diilustrasikan pada gambar berikut untuk kurva air (water).

Viskositas Nyata adalah kemiringan dari grafik tegangan geser terhadap laju regangan geser.

Fluida Newtonian adalah fluida-fluida yang tegangan gesernya berhubungan linier terhadap laju regangan geser (juga sering disebut sebagai laju deformasi angular).

Kebanyakan fluida biasa baik cair maupun gas merupakan fluida Newtonian

Fluida Non-Newtonian adalah fluida yang tegangan gesernya tidak berhubungan secara linier terhadap laju regangan geser.

5. Aliran Rotasional dan Tak Rotasional

Jika setiap partikel zart cair mempunyai kecepatan sudut terhadap sudut massanya Aliran rotasional dan tak rasional Aliran fluida dikatakan rotasional bila elemen fluida disuatu titik mempunyai momentum sudut terhadap titik itu,dan aliran dikatakan tak rptasional bila elemen fluida tersebut tak memiliki momentum sudut terhadap titik tersebut.Secara praktis rotasional atau Tak rotasional ini dapat dideteksi dengan meletakkan sebuah kincir kecil dititik tersebut dengan arah ^ arah aliran.Bila kincir berputar berarti aliran bersifat rasional,dan bila tidak berarti tak rasional.

6. Aliran 1D,2D,dan 3D

Aliran 1 Dimensi kecepatannya di setiap titik pada tampang lintang mempunyai besar dan arah yang sama.

Aliran satu dimensi jika parameter aliran (seperti kecepatan, tekanan, dll kedalaman) pada suatu saat tertentu dalam waktu hanya bervariasi dalam arah aliran dan tidak di seluruh penampang. Flow mungkin goyah, dalam hal ini parameter berbeda dalam waktu tetapi masih belum di seluruh penampang. Contoh-dimensi aliran satu adalah aliran dalam pipa. Perhatikan bahwa karena aliran harus nol pada dinding pipa - namun non-nol di tengah - ada perbedaan parameter di seluruh penampang. Hal ini harus diperlakukan sebagai aliran dua

dimensi -? Mungkin tetapi hanya diperlukan jika akurasi tinggi sangat dibutuhkan.. Faktor koreksi ini kemudian biasanya diterapkan.

Aliran 2 Dimensi (2D) semua partikel dianggap mengalir dalam bidang sepanjang aliran,sehingga tidak ada aliran tegak lurus pada bidang tersebut.

Aliran dua dimensi jika dapat diasumsikan bahwa parameter aliran bervariasi dalam arah aliran dan dalam satu arah di sudut kanan ke arah ini. Arus dalam aliran dua dimensi melengkung garis pada pesawat dan adalah sama pada semua pesawat paralel. Contohnya adalah aliran atas musuh bendung arus yang khas dapat dilihat pada gambar di bawah ini.. Selama sebagian dari panjang bendung aliran adalah sama - hanya pada kedua ujung apakah itu berubah sedikit. Di sini faktor koreksi dapat diterapkan.

Aliran tiga dimensi (3D) komponen kecepatan ditinjau pada koordinat ruang X,Y,Z yaitu u,v,w

7. Aliran Kompresibel dan Tak Kompresibel

Aliran kompresibel (termampatkan) tak kompresibel (tak termampatkan) Bila kerapatan massa fluida berubah terhadap perubahan tekanan fluida maka dikatakan aliran bersifat kompresibel,sedang bila praktis tak berubah terhadap perubahan tekanan yang ada dalam sistem,maka aliran itu dikatakan bersifat tak kompresibel. Zat cair umumnya dapat dianggap mengalir secara tak kompresibel sedang gas secara umum dipandang mengalir secara kompresibel.Walaupu kasus-kasus tertentu mungkin aliran gas dapat pula dipandang sebagai tak kompresibel,yaitu bila perubahan kerapatan massa dalam sistem yang ditinjau praktis dapat diabaikan