Kinematika Zat Cair

ALIRAN INVISID DAN VISKOS

Aliran invisid adalah aliran dimana kekentalan zat cair, µ, dianggap nol(zat cair ideal). Sebenarnya zat cair dengan kekentalan nol tidak ada di alam, tetapi dengan anggapan tersebut akan sangat menyederhanakan permasalahan yang sangatkompleks dalam hidraulika. Karena zat cair tidak mempunyai kekentalan maka tidak terjadi tegangan geser antara partikel zat cair dan antara zat cair dan bidang batas.Pada kondisi tertentu, anggapan µ=0 dapat diterima untuk zat cair dengan kekentalan kecil seperti air. Aliran Invisid suatu fluida 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 di mana kekentalan diperhitungkan (zat cair riil). Keadaan ini menyebabkan timbulnya tegangan geser antara patikel zat cair yang bergerak dengan kecepatan berbeda. Apabila zat cair riil mengalir melalui bidang batas yang diam, zat cair yang berhubungan langsung dengan bidang batas tersebutakan mempunyai kecepatan nol (diam). Kecepatan zat cair akan bertambah sesuaidengan jarak dari bidang tersebut. Apabila medan aliran sangat dalam/lebar, di luar suatu jarak tertentu dari bidang batas, aliran tidak lagi dipengaruhi oleh hambatan bidang batas. Pada daerah tersebut kecepatan aliran hampir seragam. Bagian aliranyang berada dekat dengan bidang batas, di mana terjadi perubahan kecepatan yang besar dikenal dengan lapis batas (boundary layer ). Di daerah lapis batas ini tegangangeser terbentuk di antara lapis-lapis zat cair yang bergerak denga kecepatan berbedakarena adanya kekentalan zat cair dan turbulensi yang menyebabkan partikel zat cair  bergerak dari lapis yang satu ke lapis lainnya. Di luar lapis batas tersebut pengaruhtegangan geser yang terjadi karena adanya bidang batas dapat diabaikan dan zat cair dapat dianggap sebagai zat cair ideal.

Gambar Aliran Viskos dan Inviscid

ALIRAN KOMPRESIBEL DAN TAK KOMPRESIBEL

Semua fluida (termasuk zat cair) adalah kompresibel sehingga rapat massanya berubah dengan perubahan tekanan. Pada aliran mantap dengan perbuhan rapat massa kecil, sering dilakukan penyederhanaan dengan menganggap bahwa zat cair adalah tak kompresibel dan rapat massa adalah konstan. Oleh karena zat cair mempunyai kemampatan yang sangat kecil, maka dalam analisis mantap sering dilakukan anggapan zat cair tak kompresibel. Tetapi pada aliran tak mantap sering dilakukan melalui pipa di mana bisa terjadi perubahan tekanan yang sangat besar, maka kompresibilitas zat cair harus diperhitungkan.

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.

 ALIRAN LAMINER DAN TURBULEN

Aliran fluida mengikuti bentuknya, sewaktu mengalir aliran fluida membentuk suatu jenis / bentuk. Jenis dan bentuk dari pergerakan fluida adalah :

1.     Aliran Laminar

Aliran laminar adalah aliran fluida yang membentuk menyerupai garis lurus. Aliran laminer terjadi apabila partikel-partikel zat cair bergerak teratur dengan membentuk garis lintasan kontinyu dan tidak saling berpotongan. Aliran laminer terjadi apabila kecepatan aliran rendah, ukuran saluran sangat kecil dan zat cair mempunyai kekentalan besar.

2.     Aliran Turbulen

Aliran Turbulen adalah aliran fluida yang tidak membentuk suatu garis lurus. Aliran ini terbentuk ketika menemui hambatan. 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. Pada aliran turbulen , partikel-partikel zat cair bergerak tidak teratur dan garis lintasannya saling berpotongan. Aliran turbulen terjadi apabila kecepatan aliran besar, saluran besar dan zat cair mempunyai kekentalan kecil. Aliran di sungai, saluran irigasi/drainasi, dan di laut adalah contor dari aliran turbulen.

Aliran yang angka Reynold (Re)-nya besar pada umumnya bersifat turbulen.

Dimana:      ρ : kerapatan fluida

V : Kecepatan

l : panjang karakteristik

μ : viskositas

        (a) Aliran Laminar                (b) Aliran Turbulen

          Gambar Aliran Laminar           Gambar Aliran Turbulen

Dalam bidang keteknikan definisi dari kedua jenis aliran fluida tersebut dapat dilihat pada jet dua dimensi, kincir angin, aliran dalam pipa, dan aliran dalam dua plat sejajar atau aliran tiga dimensi yang lain mempunyai perubahan bilangan Reynolds yang tidak stabil. Aliran yang laminar memiliki bilangan Reynolds yang kecil dan relatif stabil, tetapi pada aliran turbulen bilangan Reynoldnya besar dan relatif berubah pada setiap titiknya. Untuk menjelaskan fenomena aliran turbulen kita dapat melakukan simulasi sehingga dapat dljelaskan karakterisrik aliran turbulen tersebut.

Definisi Turbulen

Untuk menentukan suatu penentuan apakah suatu aliran dikatakan laminar atau turbulen seperti dijelaskan diatas kita dapat menggunakan pendekatan Bilangan Reynolds pada aliran tersebut. Bilangan Reynolds adalah ukuran yang dimiliki aliran mengenai gaya inersia yang diberikan dan gaya viskos yang dimiliki fluida. Apabila dalam lapisan batas aliran tidak terjadi perubahan terhadap waktu dan aliran steady, maka dapat dikatakan aliran tersebut laminar, sebaliknya jika alirannya random dan berubah terus terhadap waktu secara radikal, maka aliran tersebut adalah aliran turbulen atau lebih gampangnya setelah dihitung suatu aliran dikatakan turbulen apabila Bilangan Reynoldnya > 2300. Kecepatan, tekanan dan berbagai sifat lainnya akan berubah menjadi acak dalam aliran turbulen, seperti dapat dilihat pada grafik dibawah ini :

Grafik Aliran vs Tekanan Grafik Variasi Kecepatan pada aliran turbulen

Karakteristik aliran turbulen dapat dilakukan komputasi, dengan persamaan menggunakan kecepatan rata-rata U dan fluktuasi dari u’(t) sehingga persamaan kecepatan aliran menjadi :

Secara umum, karakteristik dari aliran turbulen ini dinotasikan sebagai kecepatan rata-rata (U,V,W,P dan lainnya) dan kecepatan yang berfluktuasi (y’,v’,w’,p’ dan lainnya).

Transisi dari Aliran Laminar ke Turbulen

Penyebab suatu aliran laminar berubah menjadi aliran turbulen adalah ketika stabilitas pada aliran laminar mengalami sedikit gangguan (gaya) yang diberikan sehingga aliran tersebut menjadi tidak stabil. Untuk menjelaskan fenomena tersebut terdapat teori hydrodynamic instability yang digunakan untuk menganalisis aliran transisi ini. Suatu aliran dengan kecepatan tertentu, didalamnya terdapat titik perubahan dapat terlihat pada Gambar 2(a). Aliran ini tidak stabil karana gangguan yang diberikan dan jika dihitung Reynolds angkanya cukup besar. Ketidakstabilan ini dapat diidentifikasi pertama tentang aliran yang invicid oleh sebab itu tipe aliran seperti ini disebut aliran inviscid instability.tipe aliran seperti ini terjadi pada aliran jet, baling-baling, dan lapisan batas antara dua plat sejajar dengan gradien temperatur yang berlawanan. Aliran dengan kecepatan yang laminar tanpa adanya point of inflexion disebut viscous instability. Pendekatan tentang aliran tipe ini dapat didekati dengan beberapa aliran seperti aliran disepanjang dinding yang solid seperti pipa, dan lapisan batas tanpa adanya gradien tekanan balik.

ALIRAN MANTAP DAN TAK MANTAP

Aliran mantap (steady flow) 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. Contoh aliran tak mantap adalah perubahan debit di dalam pipa atausaluran, aliran banjir di sungai, aliran di estuari (muara sungai) yang dipengaruhi pasang surut. Analisis dari aliran ini adalah sangat kompleks, biasanya penyelesainnya dilakukan secara numerik dengan menggunakan komputer.

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 di sepanjang aliran. Demikian juga dengan variabel-variabel lainnya seperti tekanan, rapat massa, kedalaman, debit, dsb. Aliran di saluran panjang dengan debit dan penampang tetap adalah contoh dari aliran seragam. Aliran  seragam  merupakan aliran yang  tidak berubah berubah menurut menurut tempat tempat.  Konsep Konsep 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 (non uniform flow) terjadi jika semua variabel aliran berubah dengan jarak. Contoh dari aliran tak seragam adalah aliran di sungai atau di saluran di daerah dekat terjunan atau bendung.

ALIRAN 1D, 2D, 3D

Dalam aliran satu dimensi (1-D), kecepatan di setiap titik pada tampang lintang mempunyai besar dan arah yang sama. Sebenarnya jenis aliran semacam ini sangat jarang terjadi. Tetapi dalam analisa hidraulika, aliran tiga dimensi dapat disederhanakan menjadi satu dimensi berdasarkan beberapa anggapan, misalnya mengabaikan perubahan kecepatan vertikal dan melintang terhadap kecepatan pada arah memanjang. Keadaan pada tampang lintang adalah nilai rerata dari kecepatan, rapat massa, dan sifat-sifat lainnya. Aliran satu dimensi jika parameter aliran (seperti kecepatan, tekanan, kedalaman, dll) 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 aliran satu dimensi adalah aliran dalam pipa .

Dalam aliran dua dimensi (2-D), semua partikel dianggap mengalir dalam bidang sepanjang aliran, sehingga tidak ada aliran tegak lurus pada bidang tersebut. Untuk aliran di saluran yang sangat lebar, misalnya di pantai, maka anggapan aliran dua dimensi mendatar adalah lebih sesuai. 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.

Aliran kritis merupakan kondisi aliran yang dipakai sebagai pegangandalam menentukan dimesi bangunan ukur debit. Pada kondisi tersebut, yang disebutsebagai keadaan aliran modular bilamana suatu kondisi debutnya maksimum danenergi spesifiknya adalam minimum.Fenomena aliran modular pada pintu yang diletakkan di atas ambang untuk satu energi spesifik yang konstan (E0) dapat diidentifikasi melalui 3 (tiga) kondisiseperti berikut :Gambar 9. Hubungan antara debit dan tinggi air pada kondisi energi spesifik konstanAliran subkritis dan aliran superkritis dapat diketahui melalui nilai bilangan Froude (F) . Bilangan Froude tersebut membedakan jenis aliran menjaditiga jenis yakni: Aliran kritis, Subkritis dan superkritis (Queensland Department of  Natural Resources and Mines, 2004). Ketiga jenis aliran dapat dijelaskan sebagai berikut:

15

g.

aliran rotasional dan tak rotasional

Aliran rotasional terjadi apabila setiap partikel zat cair mempunyaikecepatan sudut terhadap pusat massanya. Partikel zat cair akan berotasi apabiladistribusi kecepatan tidak merata. Pada aliran tak rotasional, distribusi kecepatan didekat dinding batas merata sehingga partikel zat cair tersebut tidak berotasi terhadap pusat massanya.

8.Aliran Kritis, Subkritis dan Superkritis

Aliran kritis merupakan kondisi aliran yang dipakai sebagai pegangandalam menentukan dimesi bangunan ukur debit. Pada kondisi tersebut, yang disebutsebagai keadaan aliran modular bilamana suatu kondisi debutnya maksimum danenergi spesifiknya adalam minimum.Fenomena aliran modular pada pintu yang diletakkan di atas ambang untuk satu energi spesifik yang konstan (E0) dapat diidentifikasi melalui 3 (tiga) kondisiseperti berikut :Gambar 9. Hubungan antara debit dan tinggi air pada kondisi energi spesifik konstanAliran subkritis dan aliran superkritis dapat diketahui melalui nilai bilangan Froude (F) . Bilangan Froude tersebut membedakan jenis aliran menjaditiga jenis yakni: Aliran kritis, Subkritis dan superkritis (Queensland Department of  Natural Resources and Mines, 2004). Ketiga jenis aliran dapat dijelaskan sebagai berikut:

15

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

ALIRAN KRITIS, SUBKRITIS, DAN SUPERKRITIS

Aliran kritis merupakan kondisi aliran yang dipakai sebagai pegangandalam menentukan dimesi bangunan ukur debit. Pada kondisi tersebut, yang disebutsebagai keadaan aliran modular bilamana suatu kondisi debutnya maksimum danenergi spesifiknya adalam minimum.

Fenomena aliran modular pada pintu yang diletakkan di atas ambang untuk satu energi spesifik yang konstan (E0) dapat diidentifikasi melalui 3 (tiga) kondisiseperti berikut :

Gambar Hubungan antara debit dan tinggi air pada kondisi energi spesifik konstan

Aliran subkritis dan aliran superkritis dapat diketahui melalui nilai bilangan Froude (F) . Bilangan Froude tersebut membedakan jenis aliran menjaditiga jenis yakni: Aliran kritis, Subkritis dan superkritis (Queensland Department of  Natural Resources and Mines, 2004). Ketiga jenis aliran dapat dijelaskan sebagai berikut:

a) Aliran kritis, jika bilangan Froude sama dengan 1 (Fr = 1) dan gangguan permukaan (cth: riak yang terjadi jika sebuah batu di lempar ke dalam sungai)tidak akan bergerak/menyebar melawan arah arus.

b) Aliran subkritis, jika bilangan Froude lebih kecil dari 1 (Fr<1). Untuk aliransubkritis, kedalaman biasanya lebih besar dan kecepatan aliran rendah (semua riak yang timbul dapat bergerak melawan arus). Kecepatan air < kecepatangelombang hulu aliran dipengaruhi pengendali hilir.

c) Aliran superkritis, Jika bilangan Froude lebih besar dari 1 (Fr>1). Untuk aliransuperkritis kedalaman relatife lebih kecil dan kecepatan relative tinggi (segala riak yang ditimbulkan dari suatu gangguan adalah mengikuti arah arus. Kecepatan air > kecepatan gelombanghulu aliran tidak dipengaruhi pengendali hilir.

Gambar Gelombang Kritis, Subkritis, dan Superkritis

Contoh penerapan aliran kritis, subkritis dan superkritis yaitu Aliran Melalui Pintu Sorong / Gerak. Kondisi aliran melalui pintu sorong (Sluice gate) akan tampak jelas apakah dalam kondisi aliran bebas atau tenggelam, tergantung dari kedalaman air di hilir pintu yang secara bergantian ditentukan oleh kondisi aliran dihilir pintu tersebut. Kondisi aliran bebas ( free flow) dicapai bila aliran di hulu pintu adalah sub kritis, sedangkan aliran di hilir pintu adalah super kirtis.