ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA
Download
Report
Transcript ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA
ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA
1
SIFAT-SIFAT ALIRAN BERDASARKAN
BILANGAN REYNOLDS
• DALAM MEMPELAJARI ALIRAN DALAM PIPA, SEBELUMNYA PERLU DIKETAHUI
ALIRAN BERDASARKAN BILANGAN REYNOLDS
• BILA SEBUAH PIPA MENGALIRKAN AIR DAN DITUANGKAN TINTA, MAKA ADA 3
KEMUNGKINAN BENTUK TINTA TERSEBUT, YAITU :
Jejak Tinta
Bila Aliran
Lambat
Bila Aliran Cepat
2
SIFAT-SIFAT ALIRAN BERDASARKAN BILANGAN REYNOLDS
• FENOMENA DIATAS DISELIDIKI OLEH OSBOURNE REYNOLDS DENGAN ALAT
SEBAGAI BERIKUT (YANG DIKENAL SEBAGAI “REYNOLDS APPARATUS”):
Dari percobaan dengan alat tersebut, maka
didapat bahwa aliran dipengaruhi oleh:
ud
ρ Massa jenis
u kecepatanrata - rata
d diameter
μ viskositas
Dimana nilainya diantara kurang dari 2000 untuk
aliran laminar dan lebih dari 4000 adalh al.turbulen
• BILANGAN DIATAS DIKENAL DENGAN NAMA “BILANGAN REYNOLDS”
• KETENTUAN ALIRAN SEBAGAI BERIKUT :
Laminar flow
: Re < 2000
Transitional flow: 2000 < Re < 4000
Turbulent flow : Re > 4000
• BILANGAN REYNOLDS TIDAK BERDIMENSI
3
SIFAT-SIFAT ALIRAN BERDASARKAN BILANGAN REYNOLDS
• BILANGAN REYNOLDS MERUPAKAN BILANGAN YANG MENJELASKAN
PERUBAHAN FISIK DARI AL.LAMINAR KE AL.TURBULEN
• BIL.REYNOLDS :
Re
ρud
Gaya Inersia
μ
Gaya Viskositas
• DARI RUMUS TERSEBUT DAPAT DIKATAKAN BAHWA BILA GAYA INERSIA
MELEBIHI GAYA VISKOSITAS (KECEPATAN LEBIH CEPAT DAN BIL.REYNOLDS
BESAR), MAKA TERJADI AL.TURBULEN DAN SEBALIKNYA, MAKA AKAN
TERJADI AL.LAMINAR
• SECARA UMUM :
Aliran Laminar
• Re < 2000
• Kecepatan rendah
• Tinta tidak bercampur
dengan air
• Partikel fluida bergerak
dalam garis lurus
• Memungkinkan
analisis matematik
sederhana
• Jarang terjadi dalam
sistem air
Aliran Transisi
• 2000< Re < 4000
• Kecepatan sedang
• Tinta sedikit
bercampur dengan
air
Aliran Turbulen
• Re > 4000
• Kecepatan tinggi
• Tinta bercampur dengan air
secara cepat
• Partikel fluida bergerak
secara acak
• Pergerakan partikel sangat
sulit dideteksi
• Analisis matematik sangat
sulit dilakukan
4
• Sering dalam sistem air
TINGGI TEKAN DALAM ALIRAN PIPA
• AIR MENGALIR DALAM PIPA MEMPUNYAI BEBERAPA MACAM ENERGI ANTARA LAIN :
1. ENERGI KINETIK
2. ENERGI POTENSIAL
3. ENERGI TEKANAN
• HUBUNGAN KETIGA ENERGI TERSEBUT DAPAT DINYATAKAN DALAM PERS.BERNOULLI :
v12
P2 v22
h1
h2
2g
2g
P1
• DALAM KENYATAANNYA TERDAPAT ENERGI YANG HILANG KETIKA AIR MENGALIR DALAM
PIPA.
• KEHILANGAN ENERGI INI DAPAT DIGAMBARKAN DALAM GRADE LINE (LIHAT GAMBAR)
EGL : Energy Grade Line
HGL : Hydraulic Grade LIne
Kehilangan
Energi
SEHINGGA PERSAMAAN BERNOULLI DAPAT DITULISKAN :
v12
P2 v22
h1
h2 hL
2g
2g
P1
Kehilangan
Energi
5
TINGGI TEKAN DALAM ALIRAN PIPA
CONTOH SOAL
•
Sebuah Pipa dengan diameter 25 cm membawa air dengan debit 0.16 m3/s dengan tekanan
2000 dyn/cm2. Pipa diletakkan pada kedalaman 10.71 m di bawah permukaan rata-rata air.
Berapakah tinggi tekan pada kedalaman tersebut ?
v12
H
h1
2g
P1
104
2000 5
10
H
9810
•
V
Q
0.16
3.26 m/s
A 25 2
4 100
2
3.26 10.71 11.27m
2(9.81)
Sebuah penampung air dengan susunan seperti gambar mengalirkan air ke penampung di
bawah tanah melalui pipa berdiameter 12 in dengan rata-rata pengaliran 3200 gallon per
minute (GPM) dan total kehilangan tinggi tekan adalah 11.53 ft. Tentukan ketinggian permukaan
air dalam penampung yang berada diatas
P1 v12
P2 v 22
h1
h2 hL
2g
2g
P1 P2 0
v1 0 (kecepatandi penampunglebih kecil dibandingkan dalam pipa)
2
v 22
9.08
h h1
h2 hL
5 11.53 7.81 ft
2g
2(32.2)
6
KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT GESEKAN
(MAJOR LOSS)
• KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT GESEKAN DALAM PIPA TERMASUK DALAM
KEHILANGAN YANG BESAR (MAJOR LOSS)
• KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT GESEKAN DALAM PIPA TERGANTUNG DARI
:
1. TIDAK TERGANTUNG DARI TEKANAN PADA ALIRAN AIR
2. BERBANDING LURUS DENGAN PANJANG PIPA (L)
3. BERBANDINGTERBALIK DENGAN DIAMETER PIPA (D)
4. BERBANDING LURUS DENGAN KECEPATAN RATA-RATA (V)
5. TERGANTUNG DARI KEKASARAN PIPA, BILA ALIRAN TURBULEN
• KEHILANGAN TINGGI TEKAN TERSEBUT DAPAT DINYATAKAN DENGAN RUMUS
DARCY WEISBACH
= koefisien gesek
2
L V
h f
D 2g
L = panjang pipa
D = diameter pipa
V = kecepatan rata-rata
g = percepatan gravitasi
7
KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT GESEKAN
• KEHILANGAN TINGGI TEKAN UNTUK ALIRAN LAMINAR :
32LV
(menurutHagen - P ouiseuille)
gD2
64
atau
Re
hf
• KEHILANGAN TINGGI TEKAN UNTUK ALIRAN TURBULEN PADA PIPA YANG
PERMUKAAN PIPA HALUS :
0.3164
(menurut Blasius)
Re
• KEHILANGAN TINGGI TEKAN UNTUK ALIRAN TURBULEN DENGAN PERMUKAAN
YANG KASAR (Prandtl dan Nikuradse) :
1. Turbulen yang halus :
1
2 log
Re
2.51
2. Turbulen yang transisi : tergantung dari k/D dan Re
3. Turbulen yang kasar :
1
2 log
3.7 D
k
Dapat digambarkan grafiknya :
8
KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT GESEKAN
• Colebrook dan White, MENEMUKAN FORMULA DARI PENAMBAHAN PERSAMAAN
UNTUK DAERAH KASAR DAN HALUS SEHINGGA MENJADI :
k
2.51
2 log
3.7 D Re
1
• Moody, DAPAT MEMPLOTKAN PERSAMAAN DIATAS MENJADI GRAFIK SBB :
9
KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT GESEKAN
• Moody, DAPAT MENYEDERHANAKAN PERSAMAAN COLEBROOK-WHITE
MENJADI :
1/ 3
k 106
0.00551 20000
D
Re
CONTOH SOAL
HITUNGLAH KAPASITAS DARI PIPA KAYU DENGAN DIAMETER 3 M YANGMEMBAWA AIR PADA SUHU
10OC DAN MEMILIKI KEHILANGAN TINGGI TEKAN YANG DIJINKAN 2 m/km
2
L V
h f
D 2g
2
1000 V
2
3 2(9.81)
V 2 0.12 / f ....................................(1)
Bilangan Reynolds
DV
3V
NR
2.29.106 V ....(2)
1.31.106
Dari kedua persamaandicari f dan V dengan cara coba - coba menggunakan Diagram Moody.Kita asumsikan 0.02(sesuai dengan nilai yangdiijinkan)
maka didapat V 2.45 m/s (P ers.1)dan Nr 5.6x106. Bila Nr ini diplotkanpada diagram Moody,maka didapat 0.0122.Bila diambil 0.0121,
maka didapat nilai yangmendekatisehingga V 3.15m/s. Maka
32
Q AV
4
(3.15) 22.27m / s
10
KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT
RERUGI KECIL (MINOR LOSSES)
•
MINOR LOSSES TERJADI KARENA ADANYA :
1. Kontraksi Tiba-Tiba atau Perlahan
2. Pelebaran Tiba-Tiba atau Perlahan
3. Tikungan
4. Katup
•
SECARA UMUM RUMUS KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT MINOR
LOSSES :
2
hL k L
v
2g
Dimana : kL = koefisien kehilangan energi tergantung jenis penyebab
v = kecepatan
11
KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT RERUGI KECIL (MINOR LOSSES)
1. KEHILANGAN ENERGI AKIBAT KONTRAKSI TIBA-TIBA
• KONTRAKSI TIBA-TIBA DAPAT MEMBUAT TEKANAN TURUN KARENA KEHILANGAN
ENERGI AKIBAT TURBULENSI DAN MENINGKATNYA KECEPATAN (LIHAT GAMBAR)
• KEHILANGAN ENERGI TERBESAR PADA RUAS C-D YANG DISEBUT VENA
CONTRACTA DIMANA KECEPATAN ALIRAN JET TINGGI DAN TEKANAN YANG
RENDAH
• ENERGI KEMBALI PULIH KETIKA DI RUAS D-E
• TERMASUK DALAM KEHILANGAN ENERGI AKIBAT KONTRAKSI TIBA-TIBA ADALAH
PERALIHAN PIPA MASUK
• PERHITUNGAN KEHILANGAN ENERGI DIHITUNG DENGAN RUMUS DIBAWAH
V22
hc K c
2
g
DIMANA Kc = KOEFISIEN
KONTRAKSI YANG
TERGANTUNG DARI D2/D1
12
KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT RERUGI KECIL (MINOR LOSSES)
2. KEHILANGAN ENERGI AKIBAT EKSPANSI TIBA-TIBA
• SKEMA HGL DAN EGL DARI KEHILANGAN ENERGI AKIBAT EKSPANSI DAPAT
DILIHAT PADA GAMBAR DIBAWAH
• TERMASUK DALAM KEHILANGAN ENERGI INI ADALAH PIPA YAG DIHUBUNGKAN
DENGAN RESERVOIR
• KEHILANGAN ENERGI TERJADI PADA RUAS A DAN B DIMANA GARIS ALIRAN
MENEMPEL DI DINDING AKIBAT TERPISAHNYA GARIS ALIRAN
• ENERGI PULIH KEMBALI PADA TITIK C KARENA ALIRAN JET MELEMAH PADA TITIK
TERSEBUT
KEHILANGAN ENERGI DAPAT DIHITUNG
hE
2
V1 V2
2g
atau
2
A1 V12
hE 1
A
2 2g
13
KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT RERUGI KECIL (MINOR LOSSES)
3. KEHILANGAN ENERGI AKIBAT TIKUNGAN
• KEHILANGAN ENERGI AKIBAT TIKUNGAN DIAKIBATKAN MENINGKATNYA TEKANAN
PADA BAGIAN LUAR PIPA DAN MENURUN PADA BAGIAN DALAM PIPA
• UNTUK MENGEMBALIKAN TEKANAN DAN KECEPATAN PADA BAGIAN DALAM PIPA,
MENYEBABKAN TERJADINYA PEMISAHAN ALIRAN
• KEHILANGAN ENERGI AKIBAT TIKUNGAN BERGANTUNG PADA JARI-JARI
TIKUNGAN (R) DAN DIAMETER PIPA (D), YAITU :
v2
hB k B
2g
CONTOH TABEL KB
R/D
1
2
4
6
10
16
20
KB
0.35
0.19
0.17
0.22
0.32
0.38
0.42
14
KEHILANGAN TINGGI TEKAN AKIBAT RERUGI KECIL (MINOR LOSSES)
4. KEHILANGAN ENERGI AKIBAT KATUP (VALVE)
• KEHILANGAN ENERGI AKIBAT KATUP DIHITUNG DENGAN :
v2
hV K V
2g
CONTOH
15
PENGGAMBARAN GARIS ENERGI (ENERGY GRADE LINE) DAN GARIS
HIDRAULIK (HYDRAULIC LINE)
• PENGGAMBARAN BERDASARKAN BESARNYA TOTAL HEAD YAITU :
H
P
v2
2g
h hL
Bila terjadi kehilangan energi
• PENGGAMBARAN BERDASARKAN KOMPONEN-KOMPONEN HEAD, DENGAN
TOTAL HEAD BERNILAI SAMA SEPANJANG PIPA
Head
Datum/Bidang Acuan
16
CONTOH SOAL
1. Sebuah pipa dengan diameter 100 mm mempunyai panjang 15 m dan berhubungan langsung dengan atmosfer
pada titik C pada ketinggian 4 m dibawah permukaan air bak penampungan. Titik tertinggi dari pipa berada
pada titik B pada ketinggian 1.5 m diatas permukaan air bak penampungan dengan jarak 5 m dari bak
penampungan. Bila diasumsikan pada ujung pipa (titik C) berbentuk tajam dan faktor gesekan 0.32, Hitunglah
(1) Kecepatan air meninggalkan pipa (titik C) dan (b) Tekanan pada titik B
Jawab :
Dari soal diketahui: D 100 mm,L 15 m, h A-C 4, h B-A 1.5m L B-A 5 m, 0.32
P V2
PA V A2
h A C C hC hL
g 2 g
g 2 g
PA PC , VA sehingga VA 0, maka P ersamaaBernoulli:
(a) T injauT itikA dan C, Gunakan P ers.Bernoulli
2
V2
V2
V2
L V
h A C hC hL C hC C K c C
2g
2g
2g
D 2g
2
2
2
2
V
V
V 0.32 15
L V
h A hC C C K c C C 1
0.5
2g
2g 2g
0.1
D 2g
V
0.32 15
1.5
2(9.81)
0.1
VC 1.26m / s
4
2
C
PA V A2
P
V2
h A B B hB hL
g 2 g
g 2 g
VA sehingga VA 0, maka P ersamaaBernoulli:
(b) T injauT it ikA dan B, Gunakan P ers.Bernoulli
2
VC2
V2
V2
P
L V
hC hL B C hC C K c C
2g
g 2 g
2g
D 2g
2
2
2
2
V
V
V
P
P
0.32 5
L V
h A h B B C C K c C B C 1
0 .5
g 2 g
D
2
g
2
g
g
2
g
0
.
1
hA
- 1.5
PB
1.262
0.32 5
1 .5
1000 9.81 2(9.81)
0 .1
PB 28.58 103 N / m 2
17
CONTOH SOAL
2. Susunan Pipa seperti pada Gambar berikut dimana pipa mengalirkan air dari bak penampungan dengan
ketinggian bak penampung adalah 100 m dibawah muka air bak penampungan. Air dialirkan melalui pipa dan
katub yang terdapat diujung pipa. Bila diasumsikan suhu air adalah 10oC, tentukan debit yang mengalir dalam
pipa
P V
P V
1
g
2
1
h1
3
2
3
h3 hL
2g
g 2 g
P1 P3 , V1 sehingga V1 0, dan h 3 0 (pada datum),maka P ersamaanBernoulli:
T injauT itik1 dan 3, Gunakan P ers.Bernoulli
2
V32
V2
V2
L V
hL C hC C K c C
2g
2g
2g
D 2g
V22
he h f1 hc h f 2 hv
100
2g
h1 100
he (0.5)
V12
V2
V2
V2
V2
1000V12
1200V22
; h f1 1
; hc K c 2 0.33 2 ; h f 2 2
; hv K v 2 10 2
2g
0.40 2 g
2g
2g
0.40 2 g
2g
2g
2
2
1200
V
1000
V
100 1 10 2
0.33 2 1
0.5 1
0.40
2 g 0.40
2g
A1V1 A2V2
V1 0.25V2 , m aka
V22
1962
11.36 156.251 6000 2
Koefisien1 dan 2 dapat ditentukandari Diagram Moodydengan coba - coba. Misalkan1 0.0178dan 2 0.0205, maka
N R1 ( BilanganReynolds) 2.88.105 (Asumsi smoothpipe)'N R2 5.5 105
N R1 2.88 105
D1V1
0.4V1
V1 0.9432m/s
1.31 106
0.2V2
5.5 105
V2 3.6025m / s
1.31 106
1962
V2
3.78m / s
11.36 156.25(0.0178) 6000(0.0205)
2.88 105
Kedua V2 hasil perhitungan belum sama, maka perlu diiterasi ulang
18
PIPA BERCABANG
• DALAM PERMASALAHAN PIPA BERCABANG SEPERTI GAMBAR DIBAWAH, MAKA HAL-HAL
YANG HARUS DIPERHATIKAN :
1. JUMLAH DEBIT YANG MASUK KELUAR DARI SUATU TITIK ADALAH SAMA
2. SEMUA PIPA YANG TERHUBUNGKAN PADA TITIK MEMILIKI TEKANAN YANG SAMA
• (LIHAT GAMBAR). DALAM MEMECAHKAN PERMASALAHAN PIPA TERSEBUT, ADALAH
PENENTUAN TINGGI TEKANAN DI TITIK PERTEMUAN (P) DILAKUKAN DENGAN CARA
COBA-COBA SEHINGGA KONDISI NO.1 DIATAS DAPAT TERPENUHI
• UNTUK LEBIH JELAS PERHATIKAN CONTOH SOAL BERIKUT :
19