Analisa Laju Aliran Air Bersih Dengan Menggunakan Software Pipe Flow Expert V 6.39 di Perumahan Graha Indah Kelapa Gading. Klambir V, Medan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Sistem Perpipaan
Pipa pada umumnya digunakan sebagai sarana untuk menghantarkan fluida
baik berupa gas maupun cairan dari suatu tempat ke tempat yang lain. Adapun
sistem pengaliran fluida dilakukan dengan metode gravitasi maupun
dengan
sistem aliran bertekanan.
Umumnya bagian perpipaan dan detailnya merupakan standart dari unit,
seperti ukuran diameter, jenis katup yang akan dipasang, baut dan gasket pipa,
penyangga pipa, dan lain-lain. Sehingga dengan demikian akan terdapat
keseragaman ukuran antara satu dengan lainnya. Sedangkan di pasaran telah
terdapat berbagai jenis pipa dengan ukuran dan bahan-bahan tertentu sesuai
dengan kebutuhan seperti dari bahan Carbon Steel, PVC (Polyvinil Chloride),
stainless Steel, dan lain-lain.
Untuk merancang sistem pipa dengan benar, engineer harus memahami
perilaku sistem akibat pembebanan dan regulasi (kode standard design) yang
mengatur perancangan sistem pipa. Perilaku sistem pipa ini antara lain
digambarkan oleh parameter-parameter fisis, seperti perpindahan, percepatan,
tegangan, gaya, momen dan besaran lainnya. Kegiatan engineering untuk
memperoleh perilaku sistem pipa ini dikenal sebagai analisa tegangan pipa atau
dahulu disebut juga analisa fleksibilitas.
Code dan standard pada sistem pemipaan sangat berperan dalam
perancangan pipa, karena bertujuan untuk mendapatkan kepastian agar sistem
pipa aman dan tidak membahayakan jiwa manusia. Selain itu code dan standard
sistem perpipaan juga mempermudah dalam pemilihan dan pemakaian peralatan,
jenis material dan prosedur perancangan pipa. Sehingga pada saat perancangan
sistem pemipaan yang akan dibuat dapat menghemat biaya produksi. Diantaranya
yang dipakai pada perancangan pipa adalah Code ASME (American Society of
Mechanical Engineers) B31.8 untuk Gas Transmission and Distribution Pipeline
dan API (American Petroleum Institute) 5l X65, dan Standard ANSI (American
National Standard Institute) B16.5 tentang Pipe Flange and Flanged Fitting.
31
Universitas Sumatera Utara
Pada saat ini ada beberapa buah kode standard dari komite B31.8 ini yang
sering dipakai sebagai acuan di Indonesia sesuai dengan kebutuhan bidang
industri, yaitu :
•
ASME/ANSI B31.1 untuk sistem perpipaan di industri pembangkit
listrik;
•
ASME/ANSI B31.3 untuk sistem perpipaan di industri proses dan
petrokimia;
•
ASME/ANSI B31.4 untuk sistem pipa transport minyak dan zat cair
lainnya;
2.2.
•
ASME/ANSI B31.5 untuk sistem perpipaan pendingin;
•
ASME/ANSI B31.8 untuk pipa transport gas.
Aliran Fluida
Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi)
secara permanen. Bila kita mencoba mengubah bentuk suatu massa fluida, maka
di dalam fluida tersebut akan terbentuk lapisan – lapisan di mana lapisan yang
satu akan mengalir di atas lapisan yang lain, sehingga tercapai bentuk baru.
Selama perubahan bentuk tersebut, terdapat tegangan geser (shear stress), yang
besarnya bergantung pada viskositas fluida dan laju alir fluida relatif terhadap
arah tertentu. Bila fluida telah mendapatkan bentuk akhirnya, semua tegangan
geser tersebut akan hilang sehingga fluida berada dalam keadaan kesetimbangan.
Pada temperatur dan tekanan tertentu, setiap fluida mempunyai densitas tertentu.
Jika densitas hanya sedikit terpengaruh oleh perubahan yang suhu dan tekanan
yang relatif besar, fluida tersebut bersifat incompressible. Tetapi jika densitasnya
peka terhadap perubahan variabel temperatur dan tekanan, fluida tersebut
digolongkan compresible. Zat cair biasanya dianggap zat yang incompresible,
sedangkan gas umumnya dikenal sebagai zat yang compresible.
Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada kenyataan apakah
fluida itu berada di bawah pengaruh bidang batas padat atau tidak. Di daerah yang
pengaruh gesekan dinding kecil, tegangan geser dapat diabaikan dan perilakunya
mendekati fluida ideal, yaitu incompresible dan mempunyai viskositas 0. Aliran
fluida ideal yang demikian disebut aliran potensial. Pada aliran potensial berlaku
32
Universitas Sumatera Utara
prinsip – prinsip mekanika Newton dan hukum kekekalan massa. Aliran potensial
mempunyai 2 ciri pokok:
1.
Tidak terdapat sirkulasi ataupun pusaran sehingga aliran potensial itu disebut
aliran irotasional
2.
Tidak terjadi gesekan sehingga tidak ada disipasi (pelepasan) dari energi
mekanik menjadi kalor.
Prinsip – prinsip dasar yang paling berguna dalam penerapan mekanika
fluida adalah persamaan-persamaan neraca massa atau persamaan kontinuitas,
persamaan- persamaan neraca momentum linear, dan neraca momentum angular
(sudut), serta neraca energi mekanik. Persaman-persamaan itu dapat dituliskan
dalam bentuk diferensial yang menunjukkan kondisi pada suatu titik di dalam
elemen volume fluida, atau dapat pula dalam bentuk integral yang berlaku untuk
contoh volume tertentu atau massa.
2.3.
Sifat Dasar Fluida
Cairan dan gas disebut fluida, sebab zat cair tersebut dapat mengalir.
Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida.
Adapun sifat - sifat dasar fluida yaitu; kerapatan (density), berat jenis (specific
gravity), tekanan (pressure), kekentalan (viscosity).
2.3.1
Kerapatan (Density)
Kerapatan atau density dinyatakan dengan ρ (rho) yang dapat
didefinisikan sebagai perbandingan antara massa per satuan volume. Yang
dirumuskan sebagai berikut:
ρ=
m
V
(Kg/m3 )
(2.1)
dimana:
ρ = kerapatan (Kg/m3)
m = massa (Kg)
V = Volume (m3)
Pada persamaan 2.1 diatas, dapat digunakan untuk menuliskan massa,
dengan persamaan sebagai berikut:
m = ρ v (Kg)
(2.2)
33
Universitas Sumatera Utara
Kerapatan adalah suatu sifat karakteristik setiap bahan murni. Benda
tersusun atas bahan murni yang dapat memiliki berbagai ukuran ataupun massa,
tetapi kerapatannya akan sama untuk semuanya. Satuan SI untuk kerapatan adalah
kg/m3. Kadang kerapatan diberikan dalam g/cm3.
2.3.2
Berat Jenis (Spesific Gravity)
Berat jenis suatu bahan didefenisikan sebagai perbandingan
kerapatan bahan terhadap kerapatan air. Berat jenis adalah besaran murni
tanpa dimensi maupun satuan, dinyatakan pada persamaan 2.3 dan 2.4
sebagai berikut:
Untuk fluida cair, SGc =
Untuk fluida gas, SGg =
Dimana:
ρc (g⁄cm3 )
(2.3)
ρg (g⁄cm3 )
(2.4)
ρw (g⁄cm3 )
ρa (g⁄cm3 )
ρc = massa jenis cairan (g/cm3)
ρw = massa jenis air (g/cm3)
ρg = massa jenis gas (g/cm3)
ρa = massa jenis udara (g/cm3)
2.3.3
Tekanan (Pressure)
Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, dengan gaya F
dianggap bekerja secara tegak lurus terhadap luas permukaan (A), maka:
P=
F
A
(N/m2 )
(2.4)
Dimana:
P = tekanan (kg/m2)
F = gaya (kg)
A = luas permukaan (m2)
Konsep tekanan sangat berguna terutama dalam berurusan dengan fluida.
Sebuah fakta eksperimental menunjukkan bahwa fluida menggunakan tekanan ke
semua arah. Hal ini sangat dikenal oleh para perenang dan juga penyelam yang
secara langsung merasakan tekanan air pada seluruh bagian tubuhnya. Pada titik
tertentu dalam fluida diam, tekanan sama untuk semua arah. Ini diilustrasikan
dalam gambar 2.1. Bayangan fluida dalam sebuah kubus kecil sehingga kita
dapat mengabaikan gaya gravitasi yang bekerja padanya. Tekanan pada suatu
34
Universitas Sumatera Utara
sisi harus sama dengan tekanan pada sisi yang berlawanan. Jika hal ini tidak
benar, gaya netto yang bekerja pada kubus ini tidak akan sama dengan nol, dan
kubus ini akan bergerak hingga tekanan yang bekerja menjadi sama.
Gambar 2.1 Distribusi Gaya (Wibowo, 2013)
2.3.4
Kekentalan (Viscocity)
Kekentalan (viscosity) didefinisikan sebagai gesekan internal atau
gesekan fluida terhadap wadah dimana fluida itu mengalir. Ini ada dalam cairan
atau gas, dan pada dasarnya adalah gesekan antar lapisan fluida yang berdekatan
ketika bergerak melintasi satu sama lain atau gesekan antara fluida dengan
wadah tempat ia mengalir. Dalam cairan, kekentalan disebabkan oleh gaya
kohesif antara molekul-molekulnya sedangkan gas, berasal tumbukan diantara
molekul – molekul tersebut.
Kekentalan fluida yang berbeda dapat dinyatakan secara kuantatif
dengan koefisien kekentalan, μ
berikut:
yang didefinisikan dengan cara sebagai
Fluida diletakkan diantara dua lempengan datar. Salah satu
lempengan diam dan yang lain dibuat bergerak. Fluida yang secara langsung
bersinggungan dengan masing-masing lempengan ditarik pada permukaanya
oleh gaya rekat diantara molekul – molekul cairan dengan kedua lempengan
tersebut. Dengan demikian permukaan fluida sebelah atas bergerak dengan laju
v yang seperti lempengan atas, sedangkan fluida yang bersinggungan dengan
lempengan diam bertahan diam.
Kecepatan bervariasi secara linear dari 0 hingga v seperti ditunjukkan
gambar 2.2.
35
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Penentuan Kekentalan (Divo, 2008)
μ=
Dimana:
F�
A
V�
y
(2.5)
μ
= kekentalan fluida (Pa.s)
F
= gaya geser (N)
A
= luas lempengan bergerak (m2)
V
= kecepatan fluida (m/s)
y
= ketinggian fluida (m)
Viskositas dibedakan atas dua macam yaitu:
a)
Viskositas kinematik
Viskositas kinematik adalah perbandingan antara viskositas mutlak
terhadap rapat jenis (density).
ϑ=
μ
(2.6)
ρ
dimana :
μ = nilai viskositas mutlak
(kg/m.s)
ρ = nilai kerapatan massa fluida (kg/m3)
b) Viskositas dinamik
Viskositas dinamik
atau viskositas mutlak mempunyai nilai sama
dengan hukum viskositas Newton.
μ=
τ
(2.7)
du/dy
dimana:
τ
= tegangan geser pada fluida (kg/m2)
du/dy
= gradient kecepatan (m/s)
36
Universitas Sumatera Utara
2.4.
Karakteristik Aliran Fluida
Fluida yang bergerak dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kategori.
Apakah alirannya steadi atau tak steadi, apakah fluidanya kompresibel (dapat
mampat) atau inkompresibel (tak dapat mampat), apakah fluidanya viskos atau
non-viskos, atau apakah aliran fluidanya laminar atau turbulen. Jika fluidanya
steadi, kecepatan partikel fluida pada setiap titik tetap terhadap waktu. Fluida pada
berbagai bagian dapat mengalir dengan laju atau kecepatan yang berbeda, tetapi
fluida pada satu lokasi selalu mengalir dengan laju atau kecepatan yang tetap.
Fluida inkompressibel adalah suatu fluida yang tak dapat dimampatkan.
Sebagian besar cairan dapat dikatakan sebagai inkompressibel. Dengan mudah
anda dapat mengatakan bahwa fluida gas adalah fluida kompressibel, karena dapat
dimampatkan. Sedangkan fluida viskos adalah fluida yang tidak mengalir dengan
mudah, seperti madu dan aspal. Sementara itu, fluida tak-viskos adalah fluida
yang mengalir dengan mudah, seperti air.
2.4.1.
Aliran Laminar atau Turbulen
Aliran fluida dapat dibedakan menjadi aliran laminar dan aliran turbulen,
tergantung pada jenis garis alir yang dihasilkan oleh partikel - partikel fluida. Jika
aliran dari seluruh partikel fluida bergerak sepanjang garis yang sejajar dengah
arah aliran (atau sejajar dengan garis tengah pipa, jika fluida mengalir di dalam
pipa), fluida yang seperti ini dikatakan laminar. Jika gerakan partikel fluida tidak
lagi sejajar, mulai saling bersilang satu sama lain sehingga terbentuk pusaran di
dalam fluida, aliran yang seperti ini disebut dengan aliran turbulen, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.3 berikut:
Gambar 2.3 Aliran Laminar dan Turbulen (Khamdani, 2012)
37
Universitas Sumatera Utara
2.4.2
Bilangan Reynolds
Menurut Reynold, untuk membedakan apakah aliran itu turbulen atau
laminar dapat menggunakan bilangan tak berdimensi yang disebut dengan
Bilangan Reynold.
Re =
ρVD
(2.8)
μ
Dimana:
Re = Bilangan Reynold (tak berdimensi)
V = kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)
D = diameter pipa (ft atau m)
v = μ/ρ = viskositas kinematik (m2s)
Pada Re < 2300, aliran bersifat laminar.
Pada Re >4000, aliran bersifat turbulen.
Pada Re = 2300 – 4000, aliran bersifat transisi.
2.4.3
Daerah Masuk dan Aliran Berkembang Penuh
Setiap fluida mengalir dalam sebuah pipa harus memasuki pipa pada
suatu lokasi. Daerah aliran didekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai
daerah masuk (entrance region) dan diilustrasikan pada gambar berikut.
Gambar 2.4 Daerah Masuk Aliran Sedang Berkembang dan Aliran
Berkembang Penuh Didalam Sebuah Pipa (Munson, dkk., 2002)
38
Universitas Sumatera Utara
Dari gambar diatas ditunjukkan fluida biasanya memasuki pipa dengan
profil kecepatan yang hampir seragam (bagian 1). Selagi fluida bergerak melewati
pipa, efek viskos menyebabkan tetap menempel pada dinding pipa (kondisi
lapisan batas tanpa-slip). Hal ini berlaku baik jika fluidanya adalah udara yang
relatif inviscid ataupun minyak yang sangat viskos. Jadi, sebuah lapisan batas
(boundary layer) dimana efek viskos kecepatan awal berubah menurut jarak
sepanjang pipa, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk
(bagian 2), dimana setelah diluar profil itu kecepatan tidak berubah lagi.
Lapisan batas telah berkembang ketebalannya sehingga mengisi pipa
sepenuhnya. Efek viskos sangat penting didalam lapisan batas. Sedangkan efek
viskos fluida di luar lapisan batas dapat diabaikan.
Bentuk dari profil kecepatan didalam pipa tergantung pada apakah
laminar atau turbulen, sebagaimana pula panjang daerah masuk, le. Seperti pada
banyak sifat lainnya dari aliran pipa, panjang masuk tak berdimensi, le/D,
berkorelasi cukup baik dengan bilangan Reynolds. Panjang masuk pada umumnya
diberikan oleh hubungan:
le
= 0,06Re untuk aliran laminar
D
dan
le
= 4,4(Re)1/4 untuk aliran turbulen
D
Untuk aliran-aliran dengan bilangan Reynolds sangat rendah panjang
masuk dapat sangat pendek (le = 0,6D jika Re = 10), sementara untuk aliran-aliran
dengan bilangan Reynolds besar daerah masuk tersebut dapat sepanjang berkalikali diameter pipa sebelum ujung akhir dari daerah masuk dicapai (le = 120D
untuk Re = 2000). Untuk banyak masalah-masalah teknik praktis 104< Re < 105
sehingga 20D < le< 30D.
2.4.4.
Tekanan dan Tegangan Geser
Beda tekanan (Δp = p1 – p2) 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
39
Universitas Sumatera Utara
berkembang penuh, seperti pada daerah masuk sebuah pipa, fluida mengalami
percepatan atau perlambatan selagi mengalir (profil kecepatan berubah dari profil
seragam pada bagian masuk pipa menjadi profil berkembang penuhnya pada
ujung akhir daerah masuk), 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 2.5.
Gambar 2.5 Distribusi Tekanan Sepanjang Pipa Horizontal (Munson, dkk., 2009)
Besarnya gradien tekanan, δp/δx, lebih besar didaerah masuk dari
pada di daerah berkembang penuh, dimana gradien tersebut merupakan
konstanta, δp/δx = -Δp/ l
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Sistem Perpipaan
Pipa pada umumnya digunakan sebagai sarana untuk menghantarkan fluida
baik berupa gas maupun cairan dari suatu tempat ke tempat yang lain. Adapun
sistem pengaliran fluida dilakukan dengan metode gravitasi maupun
dengan
sistem aliran bertekanan.
Umumnya bagian perpipaan dan detailnya merupakan standart dari unit,
seperti ukuran diameter, jenis katup yang akan dipasang, baut dan gasket pipa,
penyangga pipa, dan lain-lain. Sehingga dengan demikian akan terdapat
keseragaman ukuran antara satu dengan lainnya. Sedangkan di pasaran telah
terdapat berbagai jenis pipa dengan ukuran dan bahan-bahan tertentu sesuai
dengan kebutuhan seperti dari bahan Carbon Steel, PVC (Polyvinil Chloride),
stainless Steel, dan lain-lain.
Untuk merancang sistem pipa dengan benar, engineer harus memahami
perilaku sistem akibat pembebanan dan regulasi (kode standard design) yang
mengatur perancangan sistem pipa. Perilaku sistem pipa ini antara lain
digambarkan oleh parameter-parameter fisis, seperti perpindahan, percepatan,
tegangan, gaya, momen dan besaran lainnya. Kegiatan engineering untuk
memperoleh perilaku sistem pipa ini dikenal sebagai analisa tegangan pipa atau
dahulu disebut juga analisa fleksibilitas.
Code dan standard pada sistem pemipaan sangat berperan dalam
perancangan pipa, karena bertujuan untuk mendapatkan kepastian agar sistem
pipa aman dan tidak membahayakan jiwa manusia. Selain itu code dan standard
sistem perpipaan juga mempermudah dalam pemilihan dan pemakaian peralatan,
jenis material dan prosedur perancangan pipa. Sehingga pada saat perancangan
sistem pemipaan yang akan dibuat dapat menghemat biaya produksi. Diantaranya
yang dipakai pada perancangan pipa adalah Code ASME (American Society of
Mechanical Engineers) B31.8 untuk Gas Transmission and Distribution Pipeline
dan API (American Petroleum Institute) 5l X65, dan Standard ANSI (American
National Standard Institute) B16.5 tentang Pipe Flange and Flanged Fitting.
31
Universitas Sumatera Utara
Pada saat ini ada beberapa buah kode standard dari komite B31.8 ini yang
sering dipakai sebagai acuan di Indonesia sesuai dengan kebutuhan bidang
industri, yaitu :
•
ASME/ANSI B31.1 untuk sistem perpipaan di industri pembangkit
listrik;
•
ASME/ANSI B31.3 untuk sistem perpipaan di industri proses dan
petrokimia;
•
ASME/ANSI B31.4 untuk sistem pipa transport minyak dan zat cair
lainnya;
2.2.
•
ASME/ANSI B31.5 untuk sistem perpipaan pendingin;
•
ASME/ANSI B31.8 untuk pipa transport gas.
Aliran Fluida
Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi)
secara permanen. Bila kita mencoba mengubah bentuk suatu massa fluida, maka
di dalam fluida tersebut akan terbentuk lapisan – lapisan di mana lapisan yang
satu akan mengalir di atas lapisan yang lain, sehingga tercapai bentuk baru.
Selama perubahan bentuk tersebut, terdapat tegangan geser (shear stress), yang
besarnya bergantung pada viskositas fluida dan laju alir fluida relatif terhadap
arah tertentu. Bila fluida telah mendapatkan bentuk akhirnya, semua tegangan
geser tersebut akan hilang sehingga fluida berada dalam keadaan kesetimbangan.
Pada temperatur dan tekanan tertentu, setiap fluida mempunyai densitas tertentu.
Jika densitas hanya sedikit terpengaruh oleh perubahan yang suhu dan tekanan
yang relatif besar, fluida tersebut bersifat incompressible. Tetapi jika densitasnya
peka terhadap perubahan variabel temperatur dan tekanan, fluida tersebut
digolongkan compresible. Zat cair biasanya dianggap zat yang incompresible,
sedangkan gas umumnya dikenal sebagai zat yang compresible.
Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada kenyataan apakah
fluida itu berada di bawah pengaruh bidang batas padat atau tidak. Di daerah yang
pengaruh gesekan dinding kecil, tegangan geser dapat diabaikan dan perilakunya
mendekati fluida ideal, yaitu incompresible dan mempunyai viskositas 0. Aliran
fluida ideal yang demikian disebut aliran potensial. Pada aliran potensial berlaku
32
Universitas Sumatera Utara
prinsip – prinsip mekanika Newton dan hukum kekekalan massa. Aliran potensial
mempunyai 2 ciri pokok:
1.
Tidak terdapat sirkulasi ataupun pusaran sehingga aliran potensial itu disebut
aliran irotasional
2.
Tidak terjadi gesekan sehingga tidak ada disipasi (pelepasan) dari energi
mekanik menjadi kalor.
Prinsip – prinsip dasar yang paling berguna dalam penerapan mekanika
fluida adalah persamaan-persamaan neraca massa atau persamaan kontinuitas,
persamaan- persamaan neraca momentum linear, dan neraca momentum angular
(sudut), serta neraca energi mekanik. Persaman-persamaan itu dapat dituliskan
dalam bentuk diferensial yang menunjukkan kondisi pada suatu titik di dalam
elemen volume fluida, atau dapat pula dalam bentuk integral yang berlaku untuk
contoh volume tertentu atau massa.
2.3.
Sifat Dasar Fluida
Cairan dan gas disebut fluida, sebab zat cair tersebut dapat mengalir.
Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida.
Adapun sifat - sifat dasar fluida yaitu; kerapatan (density), berat jenis (specific
gravity), tekanan (pressure), kekentalan (viscosity).
2.3.1
Kerapatan (Density)
Kerapatan atau density dinyatakan dengan ρ (rho) yang dapat
didefinisikan sebagai perbandingan antara massa per satuan volume. Yang
dirumuskan sebagai berikut:
ρ=
m
V
(Kg/m3 )
(2.1)
dimana:
ρ = kerapatan (Kg/m3)
m = massa (Kg)
V = Volume (m3)
Pada persamaan 2.1 diatas, dapat digunakan untuk menuliskan massa,
dengan persamaan sebagai berikut:
m = ρ v (Kg)
(2.2)
33
Universitas Sumatera Utara
Kerapatan adalah suatu sifat karakteristik setiap bahan murni. Benda
tersusun atas bahan murni yang dapat memiliki berbagai ukuran ataupun massa,
tetapi kerapatannya akan sama untuk semuanya. Satuan SI untuk kerapatan adalah
kg/m3. Kadang kerapatan diberikan dalam g/cm3.
2.3.2
Berat Jenis (Spesific Gravity)
Berat jenis suatu bahan didefenisikan sebagai perbandingan
kerapatan bahan terhadap kerapatan air. Berat jenis adalah besaran murni
tanpa dimensi maupun satuan, dinyatakan pada persamaan 2.3 dan 2.4
sebagai berikut:
Untuk fluida cair, SGc =
Untuk fluida gas, SGg =
Dimana:
ρc (g⁄cm3 )
(2.3)
ρg (g⁄cm3 )
(2.4)
ρw (g⁄cm3 )
ρa (g⁄cm3 )
ρc = massa jenis cairan (g/cm3)
ρw = massa jenis air (g/cm3)
ρg = massa jenis gas (g/cm3)
ρa = massa jenis udara (g/cm3)
2.3.3
Tekanan (Pressure)
Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, dengan gaya F
dianggap bekerja secara tegak lurus terhadap luas permukaan (A), maka:
P=
F
A
(N/m2 )
(2.4)
Dimana:
P = tekanan (kg/m2)
F = gaya (kg)
A = luas permukaan (m2)
Konsep tekanan sangat berguna terutama dalam berurusan dengan fluida.
Sebuah fakta eksperimental menunjukkan bahwa fluida menggunakan tekanan ke
semua arah. Hal ini sangat dikenal oleh para perenang dan juga penyelam yang
secara langsung merasakan tekanan air pada seluruh bagian tubuhnya. Pada titik
tertentu dalam fluida diam, tekanan sama untuk semua arah. Ini diilustrasikan
dalam gambar 2.1. Bayangan fluida dalam sebuah kubus kecil sehingga kita
dapat mengabaikan gaya gravitasi yang bekerja padanya. Tekanan pada suatu
34
Universitas Sumatera Utara
sisi harus sama dengan tekanan pada sisi yang berlawanan. Jika hal ini tidak
benar, gaya netto yang bekerja pada kubus ini tidak akan sama dengan nol, dan
kubus ini akan bergerak hingga tekanan yang bekerja menjadi sama.
Gambar 2.1 Distribusi Gaya (Wibowo, 2013)
2.3.4
Kekentalan (Viscocity)
Kekentalan (viscosity) didefinisikan sebagai gesekan internal atau
gesekan fluida terhadap wadah dimana fluida itu mengalir. Ini ada dalam cairan
atau gas, dan pada dasarnya adalah gesekan antar lapisan fluida yang berdekatan
ketika bergerak melintasi satu sama lain atau gesekan antara fluida dengan
wadah tempat ia mengalir. Dalam cairan, kekentalan disebabkan oleh gaya
kohesif antara molekul-molekulnya sedangkan gas, berasal tumbukan diantara
molekul – molekul tersebut.
Kekentalan fluida yang berbeda dapat dinyatakan secara kuantatif
dengan koefisien kekentalan, μ
berikut:
yang didefinisikan dengan cara sebagai
Fluida diletakkan diantara dua lempengan datar. Salah satu
lempengan diam dan yang lain dibuat bergerak. Fluida yang secara langsung
bersinggungan dengan masing-masing lempengan ditarik pada permukaanya
oleh gaya rekat diantara molekul – molekul cairan dengan kedua lempengan
tersebut. Dengan demikian permukaan fluida sebelah atas bergerak dengan laju
v yang seperti lempengan atas, sedangkan fluida yang bersinggungan dengan
lempengan diam bertahan diam.
Kecepatan bervariasi secara linear dari 0 hingga v seperti ditunjukkan
gambar 2.2.
35
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Penentuan Kekentalan (Divo, 2008)
μ=
Dimana:
F�
A
V�
y
(2.5)
μ
= kekentalan fluida (Pa.s)
F
= gaya geser (N)
A
= luas lempengan bergerak (m2)
V
= kecepatan fluida (m/s)
y
= ketinggian fluida (m)
Viskositas dibedakan atas dua macam yaitu:
a)
Viskositas kinematik
Viskositas kinematik adalah perbandingan antara viskositas mutlak
terhadap rapat jenis (density).
ϑ=
μ
(2.6)
ρ
dimana :
μ = nilai viskositas mutlak
(kg/m.s)
ρ = nilai kerapatan massa fluida (kg/m3)
b) Viskositas dinamik
Viskositas dinamik
atau viskositas mutlak mempunyai nilai sama
dengan hukum viskositas Newton.
μ=
τ
(2.7)
du/dy
dimana:
τ
= tegangan geser pada fluida (kg/m2)
du/dy
= gradient kecepatan (m/s)
36
Universitas Sumatera Utara
2.4.
Karakteristik Aliran Fluida
Fluida yang bergerak dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kategori.
Apakah alirannya steadi atau tak steadi, apakah fluidanya kompresibel (dapat
mampat) atau inkompresibel (tak dapat mampat), apakah fluidanya viskos atau
non-viskos, atau apakah aliran fluidanya laminar atau turbulen. Jika fluidanya
steadi, kecepatan partikel fluida pada setiap titik tetap terhadap waktu. Fluida pada
berbagai bagian dapat mengalir dengan laju atau kecepatan yang berbeda, tetapi
fluida pada satu lokasi selalu mengalir dengan laju atau kecepatan yang tetap.
Fluida inkompressibel adalah suatu fluida yang tak dapat dimampatkan.
Sebagian besar cairan dapat dikatakan sebagai inkompressibel. Dengan mudah
anda dapat mengatakan bahwa fluida gas adalah fluida kompressibel, karena dapat
dimampatkan. Sedangkan fluida viskos adalah fluida yang tidak mengalir dengan
mudah, seperti madu dan aspal. Sementara itu, fluida tak-viskos adalah fluida
yang mengalir dengan mudah, seperti air.
2.4.1.
Aliran Laminar atau Turbulen
Aliran fluida dapat dibedakan menjadi aliran laminar dan aliran turbulen,
tergantung pada jenis garis alir yang dihasilkan oleh partikel - partikel fluida. Jika
aliran dari seluruh partikel fluida bergerak sepanjang garis yang sejajar dengah
arah aliran (atau sejajar dengan garis tengah pipa, jika fluida mengalir di dalam
pipa), fluida yang seperti ini dikatakan laminar. Jika gerakan partikel fluida tidak
lagi sejajar, mulai saling bersilang satu sama lain sehingga terbentuk pusaran di
dalam fluida, aliran yang seperti ini disebut dengan aliran turbulen, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.3 berikut:
Gambar 2.3 Aliran Laminar dan Turbulen (Khamdani, 2012)
37
Universitas Sumatera Utara
2.4.2
Bilangan Reynolds
Menurut Reynold, untuk membedakan apakah aliran itu turbulen atau
laminar dapat menggunakan bilangan tak berdimensi yang disebut dengan
Bilangan Reynold.
Re =
ρVD
(2.8)
μ
Dimana:
Re = Bilangan Reynold (tak berdimensi)
V = kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)
D = diameter pipa (ft atau m)
v = μ/ρ = viskositas kinematik (m2s)
Pada Re < 2300, aliran bersifat laminar.
Pada Re >4000, aliran bersifat turbulen.
Pada Re = 2300 – 4000, aliran bersifat transisi.
2.4.3
Daerah Masuk dan Aliran Berkembang Penuh
Setiap fluida mengalir dalam sebuah pipa harus memasuki pipa pada
suatu lokasi. Daerah aliran didekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai
daerah masuk (entrance region) dan diilustrasikan pada gambar berikut.
Gambar 2.4 Daerah Masuk Aliran Sedang Berkembang dan Aliran
Berkembang Penuh Didalam Sebuah Pipa (Munson, dkk., 2002)
38
Universitas Sumatera Utara
Dari gambar diatas ditunjukkan fluida biasanya memasuki pipa dengan
profil kecepatan yang hampir seragam (bagian 1). Selagi fluida bergerak melewati
pipa, efek viskos menyebabkan tetap menempel pada dinding pipa (kondisi
lapisan batas tanpa-slip). Hal ini berlaku baik jika fluidanya adalah udara yang
relatif inviscid ataupun minyak yang sangat viskos. Jadi, sebuah lapisan batas
(boundary layer) dimana efek viskos kecepatan awal berubah menurut jarak
sepanjang pipa, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk
(bagian 2), dimana setelah diluar profil itu kecepatan tidak berubah lagi.
Lapisan batas telah berkembang ketebalannya sehingga mengisi pipa
sepenuhnya. Efek viskos sangat penting didalam lapisan batas. Sedangkan efek
viskos fluida di luar lapisan batas dapat diabaikan.
Bentuk dari profil kecepatan didalam pipa tergantung pada apakah
laminar atau turbulen, sebagaimana pula panjang daerah masuk, le. Seperti pada
banyak sifat lainnya dari aliran pipa, panjang masuk tak berdimensi, le/D,
berkorelasi cukup baik dengan bilangan Reynolds. Panjang masuk pada umumnya
diberikan oleh hubungan:
le
= 0,06Re untuk aliran laminar
D
dan
le
= 4,4(Re)1/4 untuk aliran turbulen
D
Untuk aliran-aliran dengan bilangan Reynolds sangat rendah panjang
masuk dapat sangat pendek (le = 0,6D jika Re = 10), sementara untuk aliran-aliran
dengan bilangan Reynolds besar daerah masuk tersebut dapat sepanjang berkalikali diameter pipa sebelum ujung akhir dari daerah masuk dicapai (le = 120D
untuk Re = 2000). Untuk banyak masalah-masalah teknik praktis 104< Re < 105
sehingga 20D < le< 30D.
2.4.4.
Tekanan dan Tegangan Geser
Beda tekanan (Δp = p1 – p2) 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
39
Universitas Sumatera Utara
berkembang penuh, seperti pada daerah masuk sebuah pipa, fluida mengalami
percepatan atau perlambatan selagi mengalir (profil kecepatan berubah dari profil
seragam pada bagian masuk pipa menjadi profil berkembang penuhnya pada
ujung akhir daerah masuk), 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 2.5.
Gambar 2.5 Distribusi Tekanan Sepanjang Pipa Horizontal (Munson, dkk., 2009)
Besarnya gradien tekanan, δp/δx, lebih besar didaerah masuk dari
pada di daerah berkembang penuh, dimana gradien tersebut merupakan
konstanta, δp/δx = -Δp/ l