Bahan Kuliah Peristiwa Perpindahan

Bahan Kuliah

PERISTIWA PERPINDAHAN
Bagian 2

Oleh:

Prof. Dr. Ir. SLAMET, MT
Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik – Universitas Indonesia
Agustus 2012

Kegiatan Pembelajaran PERISTIWA
Ming.
ke

Pokok Bahasan &
Sub Pokok Bahasan

9


PERPINDAHAN MOMENTUM PADA
ALIRAN TURBULEN :
1. Time-smoothing dari persamaan
perubahan
2. Viskositas Eddy
3. Profil kecepatan turbulen

10

PERPINDAHAN ENERGI PADA
ALIRAN TURBULEN :
4. Time-smoothing dari persamaan
perubahan
5. Konduktivitas termal Eddy
6. Profil temperatur turbulen

11

PERPINDAHAN MASSA PADA
ALIRAN TURBULEN :

7. Time-smoothing dari persamaan
perubahan
8. Difusivitas Eddy
9. Profil konsentrasi turbulen

PERPINDAHAN (setelah Mid Test)

Tujuan Instruksional Umum
dan/atau Sasaran Pembelajaran
(Nomor dalam kurung menunjukkan
kaitan dengan Kriteria Kompetensi)
Memahami fenomena
perpindahan momentum pada
aliran turbulen, mampu
menurunkan persamaan profil
kecepatan pada aliran turbulen.
[1, 4, 6, 12]

Kegiatan
Pembelajaran


Media
Instruksional

Tugas

Evaluasi




Kuliah
Diskusi

- OHP/LCD
Tugas Baca
- Papan Tulis

Memahami fenomena
perpindahan energi pada aliran

turbulen, mampu menurunkan
persamaan profil temperatur pada
aliran turbulen.
[1, 4]




Kuliah
Diskusi

- OHP

Buat Kuis
- Papan Tulis pertanyaan

Dsik
usikan
jawabannya


Memahami fenomena
perpindahan massa pada aliran
turbulen, mampu menurunkan
persamaan profil konsentrasi pada
aliran turbulen.
[1, 4, 7, 9, 11, 13, 14]





Kuliah
Diskusi
Presentasi

- OHP
- Papan Tulis

Buat paper


PR

PR

12

PERPINDAHAN ANTARA DUA
FASA :
• Faktor friksi
• Koefisien perpindahan panas
• Koefisien perpindahan massa

13

NERACA MAKROSKOPIS SISTEM
ISOTERMAL:

Neraca massa makroskopis

Neraca momentum makroskopis


Neraca energi mekanik
(persamaan Bernoulli)

14

NERACA MAKROSKOPIS SISTEM
NON-ISOTERMAL:

Neraca energi makroskopis

Neraca energi mekanik
(persamaan Bernoulli)

Aplikasi neraca makroskopis

15

NERACA MAKROSKOPIS SISTEM
MULTI KOMPONEN:


Neraca massa makroskopis

Neraca momentum makroskopis

Neraca energi mekanik
(persamaan Bernoulli)

Aplikasi neraca makroskopis

Mampu menurunkan dan
mengaplikasikan persamaan faktor
friksi, koefisien perpindahan panas,
dan koefisien perpindahan massa
[1, 4, 7]

1.
2.

Kuliah - OHP


Buat
Diskusi - Papan Tulis pertanyaan

Dsik
usikan
jawabannya

Mampu mengaplikasikan neraca
massa, momentum, dan energi
mekanik pada sistem isotermal
[1, 4, 7, 11, 13, 14]

3.
4.
5.

Kuliah - OHP/LCD •
Buat
Diskusi - Papan Tulis SOAL

Present

Dsik
asi
usikan
jawabannya

Mampu mengaplikasikan neraca
massa, momentum, dan energi
mekanik pada sistem nonisotermal
[1, 4, 7, 11, 13, 14]

6.
7.
8.

Kuliah - OHP/LCD •
Buat
Diskusi - Papan Tulis SOAL
Present


Dsik
asi
usikan
jawabannya

Mampu mengaplikasikan neraca
massa, momentum, dan energi
mekanik pada sistem multikomponen
[1, 4, 7, 11, 13, 14]

9.
10.
11.

Kuliah - OHP/LCD •
Tuga
Diskusi - Papan Tulis s baca
Present

Buat
asi
resume
kuliah

Ilustrasi pola aliran fluida

Chapter 5

DISTRIBUSI KECEPATAN PADA
ALIRAN TURBULEN
Profil kecepatan aliran fluida dalam tabung :
1. Laminer

vZ
vZ ,max

⎡ ⎛ r ⎞2 ⎤
vZ
1
= ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥ ;
=
vZ ,max 2
⎢⎣ ⎝ R ⎠ ⎥⎦

⎛ 8μL ⎞
⎟w ;
℘0 −℘L = ⎜⎜
4 ⎟
⎝ πρR ⎠

Re =

1/ 7

2. Turbulen

⎡ ⎛ r ⎞⎤
vZ
= ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥
v Z ,max ⎣ ⎝ R ⎠ ⎦

;

vZ
v Z ,max

⎛ 2 ⎞ ⎛⎜ μ 4 L ⎞⎟ 7 4
℘0 −℘L = 0.198⎜ ⎟ ⎜ 19 ⎟ w
⎝ π ⎠ ⎝ ρR 4 ⎠
7

4

=

(5.1)

ρ vz D
< 2100
μ
4
5

(5.2)

1

(104 < Re < 105 )

Profil kecepatan aliran fluida dalam tabung

Tiga zone ‘arbitrary ’ dalam tabung

(3)
?

(2)

(1)

Negligible
viscous effects

Time-smoothed velocity (
vZ =

1
to



t + to

t

vZ

)
(5.3)

v Z dt

(Fluktuasi kecepatan)

vZ ' = 0

;

vZ ' 2 ≠ 0

• Intensity of turbulence :

It =

vZ '

2

vZ

• Pada aliran pipa, It berkisar antara 1 - 10 %

Ukuran besarnya
gangguan turbulensi

Turbulent fluctuation

Reynold stress



(l)
xz

+ τ xz( t )

)

Time-smoothing pada persamaan perubahan
utk fluida incompressible
(5.4)

» Pers kontinuitas (time-smoothed) :

∂v x ∂v y ∂v z
+
+
=0
∂x
∂y
∂z
» Pers gerak (time-smoothed) :



∂p ⎛ ∂



−⎜
ρvx = −
ρ v x .v x +
ρ v y .v x + ρ v z .v x ⎟⎟
∂t
∂x ⎝ ∂x
∂y
∂z


⎛ ∂


− ⎜⎜
ρ v x '.v x ' +
ρ v y '.v x ' + ρ v z '.v x ' ⎟⎟
∂y
∂z

⎝ ∂x

(5.5)

+ μ .∇ 2 .v x + ρ . g x
(t )
» Turbulent momentum flux τ (Reynold stress) :

τ xx(t ) = ρ .vx' .v x'

;

τ xy(t ) = ρ .v x' .v 'y

; dst.

(5.6)

¤ Dalam notasi vektor, pers (5.4) dan (5.5) dapat ditulis sbb:
» Pers kontinuitas (time-smoothed) :

∇.v = 0

(5.7)

» Pers gerak (time-smoothed) :

ρ

[

] [

]

Dv
= −∇. p − ∇.τ (l ) − ∇.τ ( t ) + ρ .g
Dt

(5.8)

(t )
» Catatan : (1). τ
diberikan pada Tabel 3.4-5, 3.4-6, dan 3.4-7 dari ‘BIRD’,
dengan mengganti v dengan v
(2). Pers.-pers pada Tabel 3.4-2, 3.4-3, dan 3.4-4 dari BIRD dapat
dipakai utk problem 2 aliran turbulen, dg mengganti :

vi → vi
p → p

τ ij → τ ij( l ) + τ ij( t )

Langkah- langkah Penent uan Prof il
Kecepat an, Suhu, dan Konsent rasi
⎛ P0 − PL ⎞
⎟.r
⎝ 2L ⎠

τ rz = ⎜

dv ⎞

⎜τ rz = − μ z ⎟
dr ⎠


Hk. Newton
N.Mom. → PD ⎯solusi

⎯→ Distr.FluxMom. ⎯⎯
⎯⎯→ PD ⎯solusi

⎯→ Distr.KECP.

dT ⎞

⎜⎜ q y = − k
dy ⎟⎠


Hk.Fourier
N.Enr. → PD ⎯solusi

⎯→ Distr.FluxEnr. ⎯⎯
⎯⎯→ PD ⎯solusi

⎯→ Distr.SUHU

dc ⎞
⎜⎜ J Ay = −DAB A ⎟⎟
dy ⎠

Hk. Fick

N.Mas. → PD ⎯solusi

⎯→ Distr.FluxMas. ⎯⎯⎯→ PD ⎯solusi

⎯→ Distr.KONS.

Utk aliran TURBULEN Æ pers. Semi-empiris

Persamaan-persamaan semi-empiris
untuk ( τ

(t )
yx

)

(1). Boussinesq’s Eddy Viscosity
(t )
(t ) dv x
τ yx = − μ
dy

(5.9)

(2). Prandtl’s Mixing Length

τ

(t )
yx

dv x dv x
= − ρ .l
dy dy
2

;

l = κ 1. y

(5.10)

(3). Von Karman’s Similarity Hypothesis

τ yx( t ) = − ρ .κ 2

2

( d v x / dy ) 3 d v x
( d 2 v x / dy 2 ) dy

(5.11)

¤ Untuk aliran dalam tabung aksial simetris:
v z = v z (r)

Persamaan (5.11) menjadi :

vθ = vr = 0

⎛ dv z ⎞


dr



3

dv z
2
2
⎛ d v z 1 dv z ⎞ dr
⎟⎟
⎜⎜ 2 −
dr
r
dr



τ rz( t ) = − ρ .κ 2 2

(5.11.a)

¤ Untuk aliran tangensial antara 2 silinder yg berputar:
vθ = vθ (r)

Persamaan (5.11) menjadi :

v z = vr = 0

3

τ

(t )


= − ρ .κ 2

2

⎛ dvθ vθ ⎞
− ⎟

r ⎠
⎝ dr
2
d ⎛ dvθ vθ ⎞
+ ⎟

dr ⎝ dr
r ⎠

⎛ dvθ vθ ⎞
− ⎟

r ⎠
⎝ dr

(5.11.b)

(4). Deissler’s Empirical Formula (untuk daerah dekat dinding)

τ

(

)

dv x
= − ρ n v x y 1 − exp{− n v x y / υ}
dy

(t )
yx

2

2

(5.12)

n = 0,124 : konstanta

υ =

μ
ρ

: viskositas kinematik

) Contoh 1 (Distribusi kecepatan utk daerah jauh dari dinding) :

s

r

s = (R - r) = jarak dari dinding tabung
l = K1.s
Untuk aliran aksial dalam tabung, pers (5.10)
menjadi :
2
dv z ⎞
2
2⎛
(t )
τ rz = + ρ .κ 1 (R − r ) ⎜ −



R
τ

(t )
rz

⎛ dv ⎞
= + ρ .κ 1 s ⎜ z ⎟
⎝ ds ⎠
2 2

dr ⎠

2

(5.13)

Pers gerak dari pers (5.8), utk vz = vz ( r ) dan fluida incompressible:
(lihat Tabel 3.4-3 atau pers. 2.3-10 pada buku ‘Bird’)

P0 − PL 1 d
0=

r .τ rz )
(
L
r dr
τ rz = τ rz ( l ) + τ rz ( t )

(5.14)

Pers (5.14) diintegrasikan dg kondisi batas : r= 0 →τ rz = 0, maka
diperoleh:

τ rz

P − P )R
(
=

τ0 = τ

L

0

2L

r
s⎞

= τ0 ⎜1 − ⎟
⎝ R⎠
R

(5.15)

s=0

Untuk aliran turbulen → transport momentum oleh molekul < <
transport momentum oleh arus eddy

⇒ τ rz ( l ) 20000, dan bukan utk daerah dekat dinding.

" Contoh 2 ( Distribusi kecepatan utk daerah dekat dinding)
Hukum Newton + hukum Deissler :

τ rz = − μ

(

τ rz = τ rz ( l ) + τ rz ( t )

{

})

dvz
dvz
− ρn 2 v z ( R − r ). 1 − exp − n 2 v z ( R − r ) / υ
dr
dr

(5.21)

Dari pers (5.15) dan (5.21), dengan (1-s/ R) = 1, diperoleh :

τ o = +μ

(

{

})

dvz
dvz
+ ρn 2 v z s. 1 − exp − n 2 v z s / υ
ds
ds

(5.22)

Pers (5.22) diintegrasi dari s= 0 s/ d s= s, diperoleh pers. dlm
variabel tak berdimensi sbb:
s+

ds +
v =∫
2 + +
2 + +
+
n
v
s


n
v s )
1
1
exp(
0
+

{

}

; 0 ≤ s+ ≤ 26

(5.23)

# Untuk pipa panjang dan halus → n = 0,124
# Utk

v

+

s+ < <



Pers (5.23) menjadi :

= s+
;
Lihat Fig. 5.3-1 (Bird)

0 ≤ s+ ≤ 5

(5.24)

" Contoh 3 ( Perbandingan antara viskositas molekuler & ‘Eddy’) :
Hitung rasio μ(t) / μ pada s = R/ 2 untuk aliran air pada pipa panjang
& halus.
Diketahui :
R = 3”
τ0 = 2,36 x 10-5 lbf/ in2
ρ = 62,4 lbm/ ft 3
υ = μ/ ρ = 1,1 x 10-5 ft 2/ det.

Fig. 5.3-1 (Bird). v+ vs s+ pada aliran TURBULEN

Viskositas Eddy didefinisikan sbb:
τ rz = − μ

dvz
dvz
dvz
− μ (t )
⇒ τ rz = +( μ + μ (t ) )
dr
dr
ds

(
1 τ 0 (1 − s / R )
1 − s / R)
μ (t ) 1 τ rz
=
−1 =
−1 =
−1
+
+
μ
μ d v z / ds
μ d v z / ds
dv / ds
pada s = R / 2

+

⇒ s =

s.v* .ρ

μ

=

( R / 2). τ 0 / ρ .ρ

μ

= 485

Karena s + > 26 ⇒ v + dapat dihitung dg pers (20) :
v+ =

1
ln( s + ) + 3,8
0,36

dv +
1 1
1
1
.
.
=
=
ds + 0,36 s +
0,36 485

μ (t )
= 86
μ

Kesimpulan : Pd daerah jauh dari dinding tabung,
transport momentum MOLEKULER dpt
diabaikan thd transport momentum EDDY

a
a

a a a
a a
a
RB EN a a

a
17

⎛ r⎞
=⎜1 − ⎟
v z ,max ⎝ R ⎠
vz

1. Prengle & Rothfus (1955):

Re = 104 - 105
2. Schlichting (1951):

r ⎞

v z = v z , max ⎜ 1 − ⎟
R⎠


1/ n

2n 2
=
v z ,max (n + 1)(2n + 1)
vz

Re
n

4 x 103
6.0

7.3 x 104
6.6

1.1 x 105
7.0

1.1 x 106
8.8

2.0 x 106
10

3.2 x 106
10

Aliran fluida TURBULEN dalam pipa
11

10

vz
v z , max

9

n 8

r ⎞

= ⎜1 −

R ⎠


1/n

2n 2
=
vz , max (n + 1)(2n + 1)
vz

7

6

5
1.E+03

1.E+04

1.E+05
Re

1.E+06

1.E+07

Eksperimen

Piping Diagram of Velocity Profile Apparatus

Eksperimen

Impact tube (Pitot tube)

Eksperimen

Analisis data:
• Dari data Δp, hitung τo :
Piping Diagram of Velocity Profile Apparatus

τ o =( po − pL )R / 2 L
• Hitung mass flowrate, (vair)rt
• Hitung profil kecepatan,
plot: v z (r ) v z ,maxvs r/R
• Integrasikan profil kecep.
utk hitung mass flowrate
• Hitung vrt dan Re
• Dari data τo dan Fig 5.3-1
hitung vmax , bandingkan
dengan vmax data.
• Hitung n pd pers. Schlichting

Latihan Soal-soal (Bird, Chapter.5)
(5.A). Presssure drop yg diperlukan utk Transisi Laminer-Turbulen:

ρν D
= 2100
μ
π R 4 ΔP
Q =
= π R2 v
8μ L



Pada Daerah Transisi : Re =



Hk. Poiseuille :

ΔP 4 μ 2
=
. Re
3
ρR
L

(1)

(5.B). Distribusi Kecepatan dlm Aliran Pipa Turbulen :
(a)

( P0 − PL ) R ⎛ R ⎞⎛ ΔΡ ⎞ 0,5 ⎛ 1 ⎞
= ⎜ ⎟⎜
⎟=


2L
2
2
5280
L



⎝ ⎠⎝
= 4,73 x 10 −5 psi

ΔP
= 1,0 psi / mile
L

τ0 =

R = 6"

(b) ρ = 1,0 gr/cc = 62,4 lb/ft3
μ = 0,01 gr.cm-1.det-1
ν = μ /ρ = 0,01 cm2/det = 1,1 x 10-5 ft2/det

v* =

(4,73 x10

−5

)(

)

v* = τ 0 / ρ

(2)

lbf .in − 2 144 in 2 / ft 2
lbm. ft
(
)
= 5,93 x 10 − 2 ft / det
.
32
,
2
−3
2
lbf . det
62,4 lbm. ft

v+ =

v
v
=
v* 59,3 x 10 − 2

s+ =

(3)

s.v* .ρ

μ

• Pd. Pusat Tabung → r = 0
s = R = 0,5 ft
s+|s=R

= 2695

⎛ v
v = 25 ,8 ⎜⎜
⎝ v max

(c)
v /v max
0.00
0.10
0.20
0.40
0.70
0.80
0.85
0.90
0.95
0.98
1.00

0.00
2.58
5.60
15.20
178.00
429.40
683.21
1087.03
1729.52
2285.27
2695.00

v+|s=R= 25,8

(= v+max)


⎟⎟ (5)


v + (pers.5) s + (Fig.5.3-1) s (pers.4), ft
0.00
2.58
5.16
10.32
18.06
20.64
21.93
23.22
24.51
25.28
25.80

(4)

s+|s=R = (5390).(0,5)

fig 5.3-1

+

= 5390.s

0.00E+00
4.79E-04
1.04E-03
2.82E-03
3.30E-02
7.97E-02
1.27E-01
2.02E-01
3.21E-01
4.24E-01
5.00E-01

s , inch
0.0000
0.0057
0.0125
0.0338
0.3963
0.9560
1.5211
2.4201
3.8505
5.0878
6.0000

(s/R) (1/7) LAMINER
0.0000
0.3704
0.4138
0.4773
0.6783
0.7692
0.8220
0.8784
0.9386
0.9767
1.0000

0.0000
0.0019
0.0042
0.0112
0.1277
0.2933
0.4428
0.6440
0.8717
0.9769
1.0000

Q = v z .π R 2
v z diperoleh dg mengin-

(e). Q = ? Æ
Æ

DISTRIBUSI KECEPATAN ALIRAN TURBULEN

tegrasi profil kecep.:

1.1

R

1.0
0.9

vz

0.8

v z , max

vz /vz,max

0.7

=

2π .∫ (v z / v z , max )r .dr

2
= 2
R

0.6
0.5

R

∫ (v

z

/ v z , max )r .dr

0

diselesaikan dg integrasi
numeris (Simpson Rule):
Utk N buah increment (N genap):

Pr&Rothfus
LAMINER

0.3

π .R 2

Æ

TURBULEN
0.4

0

XN

∫ f ( X ) dX

0.2
0.1

=

Xo

0.0
0

1

2

3

s = R-r, inch

4

5

6

h
( f 0 + 4 f1 + 2 f 2 + ... + 4 f N −1 + f N )
3
h = increment = ( X N − X 0 ) / N

6

∫ (v

z

/ v z , max )r .dr = 13 ,755

0

vz
v z , max
+

2
= 2 x 13,755 = 0,76415
6

( v z ) max = v

+
s=R

= 25 ,8 =

v z , max
v*

... ( 6 )
⇒ v z , max = ( 25 ,8)( 5,93 .10 − 2 )
= 1,52994 ft / det ... ( 7 )

* Dari pers .( 6 ) & ( 7 ) ⇒ v z = 1,1691 ft / det
Jadi : Q = v z .π R 2 = 0,9182 ft 3 / det

(d ). Cek asumsi turbulen
ρ v z D (1,1691 )(1)
=
= 106282
Re =
μ

(1,1 x 10 )
−5

( jawaban )

⇒ TURBULEN

Jika alirannya LAMINER

⎡ ⎛ r ⎞2 ⎤
vz
1
= ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥
=
&
v z , max ⎢⎣ ⎝ R ⎠ ⎥⎦
v z , max 2
(v z )max → Re max . Untuk LAMINER ⇒ Re max = 2100
vz

ρ (v z )max D
(
2100 )(1,1 x 10 − 5 )
⇒ (v z )max =
= 0 , 0231 ft / det
2100 =
(1)
μ

1
(v z )max = 0 ,01155 ft / det
2
* Q = v z π R 2 = 9 ,07 x 10 − 3 ft 3 / det
⇒ vz =

π R4 . Δp
Δp 8μ .Q

=
* HukumPoiseuille → Q =
L π R4
8μ L

(

)(

)

lbm
Δp 8 6,864.10−4 lb /( ft. det) 9,07 x10−3 ft 3 / det
−4
=
= 2,537 x10
4
L
3,14(0,5 ft)
det2 . ft 2
2
lb
.
det
lb
1
1 ft 2
5280 ft
f
−4
−4 psi
m
x
x
x
x
= 2,537 x10
=
2
,
9
10
mile
det2 . ft 2 32,2 lbm . ft 144in 2 mile

Latihan / KUIS
Analisis data:

Distribusi Kecepatan Turbulen

• Dari data Δp, hitung τo :

1

τ o =( po − pL )R / 2 L

0.9
0.8

v/v,max

0.7
0.6

1. Berapa (ΔP/L) pada pipa
2. Hitung konstanta n pada
pers. Schlichting

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

1

2

3

s, in

4

5

6

• Hitung mass flowrate, (vair)rt
• Hitung profil kecepatan,
plot: vz (r) vz,max vs r/R
• Integrasikan profil kecep.
utk hitung mass flowrate
• Hitung vrt dan Re
• Dari data τo dan Fig 5.3-1
hitung vmax , bandingkan
dengan vmax data.
• Hitung n pd pers. Schlichting