04.05.2013 Views

dr - IPB

dr - IPB

dr - IPB

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

BAB IV<br />

PENGARUH KEKENTALAN CAIRAN<br />

PADA ALIRAN<br />

4.1. PENDAHULUAN<br />

Di dalam bab 3 telah diuraikan penurunan persamaanpersamaan<br />

dasar gerak cairan tetapi belum<br />

memperhitungkan geseran.<br />

Di dalam penerapan persamaan-persamaan gerak cairan<br />

tersebut diambil anggapan bahwa cairan tidak<br />

berkekentalan sehingga baik geseran antara lapisanlapisan<br />

cairan maupun geseran antara cairan dan batas<br />

padatnya yaitu dasar dan dinding saluran dianggap sama<br />

dengan nol atau diabaikan.<br />

Pada kenyataan yang dijumpai di lapangan aliran cairan<br />

pada umumnya merupakan aliran cairan riel atau cairan<br />

berkekentalan, atau cairan viskus.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 1


4.2. ELEMEN GEOMETRI SALURAN<br />

Elemen geometri saluran dimana cairan mengalir<br />

memegang peran penting dan selalu digunakan di<br />

dalam perhitungan-perhitungan aliran terutama yang<br />

menyangkut geseran untuk penampang sederhana dan<br />

beraturan elemen geometrinya dapat dengan mudah<br />

dinyatakan dalam bentuk persamaan hubungan<br />

antara kedalaman aliran dan elemen lainnya. Tetapi<br />

untuk penampang yang rumit seperti saluran alam<br />

persamaan tersebut juga menjadi tidak sederhana.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 2


Elemen geometri yang penting yang selalu digunakan di<br />

dalam perhitungan aliran cairan adalah :<br />

a. Diameter, D : untuk saluran tertutup berbentuk<br />

lingkaran.<br />

b. Lebar dasar saluran, B : untuk saluran terbuka.<br />

c. Kedalaman aliran, h : untuk saluran terbuka.<br />

d. Luas penampang basah, A.<br />

e. Keliling basah, O.<br />

f. Jari-jari hi<strong>dr</strong>aulik,<br />

R =<br />

A<br />

O<br />

Hubungan antara elemen-elemen geometri tersebut satu<br />

sama lain dapat dinyatakan di dalam persamaanpersamaan<br />

sebagai berikut :<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 3


SALURAN TERTUTUP BERPENAMPANG LINGKARAN<br />

DENGAN ALIRAN PENUH<br />

(ALIRAN SALURAN TERTUTUP)<br />

Geometri saluran tertutup berpenampang lingkaran yang<br />

dialiri penuh seperti tampak pada Gambar 4.1(a) adalah :<br />

D<br />

A<br />

4<br />

O = π D<br />

π<br />

=<br />

2<br />

1 2 π D<br />

A 4 D<br />

R = = =<br />

O π D 4<br />

(4.2.1)<br />

(4.2.2)<br />

(4.2.3)<br />

D<br />

( a ) ( b )<br />

Gambar 4.1.Penampang saluran<br />

berbentuk lingkaran<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 4


SALURAN TERTUTUP YANG TIDAK DIALIRI<br />

PENUH (ALIRAN SALURAN TERBUKA)<br />

Aliran di dalam saluran tertutup yang tidak penuh<br />

dikategorikan sebagai aliran saluran terbuka seperti<br />

tampak pada Gambar 4.1(b) apabila kedalaman aliran<br />

adalah sebesar setengah dari diameter penampang maka :<br />

D<br />

A<br />

8<br />

π<br />

=<br />

2<br />

π D<br />

O =<br />

2<br />

2<br />

A 2π<br />

D D<br />

R = = =<br />

O 8π<br />

D 4<br />

(4.2.4)<br />

(4.2.5)<br />

(4.2.6)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 5


SALURAN TERBUKA BERPENAMPANG TRAPESIUM<br />

Saluran terbuka berpenampang trapesium merupakan<br />

saluran yang banyak digunakan untuk mengalirkan air<br />

dalam debit besar dari suatu lokasi ke lokasi lain yang<br />

lebih rendah. Bentuknya mendekati penampang saluran<br />

alam atau sungai, atau mengikuti sudut lereng alam tanah<br />

yang digali untuknya.<br />

Z<br />

A<br />

T<br />

B<br />

Gambar 4.2.Penampang saluran terbuka berbentuk trapesium.<br />

h<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 6<br />

O


Seperti tampak pada Gambar 4.2 elemen geometri saluran<br />

terbuka berbentuk trapesium adalah sebagai berikut :<br />

T = B + 2 Z<br />

A = ( B + z h )h<br />

O = B + 2h 1+<br />

z<br />

2<br />

( B + z h ) h<br />

2<br />

A<br />

R =<br />

=<br />

O B + 2 h 1+<br />

z<br />

(4.2.7)<br />

(4.2.8)<br />

(4.2.9)<br />

(4.2.10)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 7


SALURAN TERBUKA BERPENAMPANG PERSEGI<br />

EMPAT<br />

Saluran terbuka berpenampang persegi empat juga banyak<br />

digunakan terutama untuk kondisi-kondisi khusus aliran<br />

saluran terbuka. Saluran berpenampang trapesium dengan<br />

z=0, akan merupakan saluran berpenampang persegi<br />

empat. Dengan demikian elemen geometrinya adalah :<br />

(lihat Gambar 4.3.a).<br />

T =<br />

B<br />

A= B h<br />

O = B + 2 h<br />

B h<br />

R =<br />

B + 2 h<br />

(4.2.11)<br />

(4.2.12)<br />

(4.2.13)<br />

(4.2.14)<br />

h h<br />

O<br />

B B >> h<br />

( a ) ( b )<br />

Gambar 4.3.Saluran terbuka<br />

berpenampang persegi empat.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 8


SALURAN TERBUKA LEBAR SEKALI<br />

Istilah saluran terbuka lebar sekali atau lebar tak berhingga<br />

digunakan untuk saluran berbentuk trapesium lebar sekali,<br />

dimana lebar B jauh lebih besar daripada kedalaman aliran<br />

h. Dalam hal ini perhitungan aliran dilakukan dengan<br />

asumsi bahwa aliran melalui saluran berbentuk persegi<br />

empat lebar B dan keliling basah O dianggap sama dengan B<br />

sehingga jari-jari hy<strong>dr</strong>aulik :<br />

A A<br />

R = = = h<br />

(4.2.15)<br />

O B<br />

Masihbanyaklagibentukpenampangsaluran, untukitu<br />

persamaan geometrinya disajikan di dalam tabel A di<br />

Lampiran A.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 9


4.3. ALIRAN LAMINER DAN TURBULEN<br />

Di dalam aliran cairan reil dapat dibedakan dua<br />

macam aliran, yaitu “ aliran laminer “dan “aliran<br />

turbulen “. Aliran laminer hanya dapat terjadi pada<br />

kondsi hi<strong>dr</strong>aulik tertentu seperti yang diselidiki oleh<br />

Reynold (1842 – 1912). Seorang bernama Osborne<br />

Reynold melakukan penyelidikan di laboratorium<br />

dengan menggunakan peralatan seperti tampak<br />

pada Gambar 4.4.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 10


Zat pewarna<br />

air<br />

( a )<br />

( b ) Laminer<br />

dijaga konstan<br />

Pipa gelas<br />

( c ) Turbulen ( d ) Transisi<br />

Gambar 4.4.Percobaan Reynold<br />

Keran pengatur<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 11


Pada percobaan Reynold ditunjukkan suatu aliran air<br />

dari suatu bak air ke suatu pipa gelas yang diatur<br />

debitnya oleh sebuah keran. Untuk melihat jenis aliran<br />

didalam pipa gelas digunakan zat pewarna yang<br />

mempunyai berat jenis sama dengan berat jenis air (S=1).<br />

Di dalam percobaan-percobaannya Reynold menemukan<br />

bahwa apabila kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa<br />

gelas lebih rendah daripada suatu harga kritis tertentu,<br />

zat pewarna akan mengalir di dalam pipa bersama-sama<br />

dengan aliran air dalam bentuk garis arus lurus seperti<br />

tampak pada Gambar 4.4.b.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 12


Tetapi, apabila kecepatan aliran di dalam pipa diperbesar<br />

melebihi suatu harga kritis tertentu, aliran zat pewarna<br />

mengikuti aliran air yang menjadi tidak teratur garisgaris<br />

arusnya. Karena bertambahnya kecepatan maka<br />

terjadi pusaran-pusaran yang membawa partikel cairan<br />

dari satu lapisan pindah ke lapisan lain. Dalam kondisi<br />

ini zat pewarna tercampur dengan air di seluruh<br />

penampang pipa seperti tampak pada Gambar 4.4.c.<br />

Kondisi aliran dimana garis-garis arusnya lurus tersebut<br />

dinamakan “ aliran laminer “, sedang aliran dimana garisgaris<br />

arusnya tidak teratur dan partikel-partikel<br />

cairannya tercampur dinamakan “ aliran turbulen “.<br />

Diantara aliran laminer dan aliran turbulen terjadi aliran<br />

transisi seperti tampak pada Gambar 4.4.c.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 13


Reynold menerapkan analisa dimensi pada hasil-hasil<br />

percobaannya yang kemudian disimpulkan bahwa<br />

perubahan aliran laminer ke aliran turbulen terjadi pada<br />

suatu harga tertentu tak berdimensi yang dikenal sebagai<br />

“ angka Reynold, Re “. Angka Reynold menunjukkan<br />

perbandingan dari gaya-gaya kelembaman ( inertial forces )<br />

dan gaya-gaya viskos ( viscous forces ), yaitu :<br />

u L<br />

R = (4.3.1)<br />

e<br />

v<br />

dimana :<br />

Ū = kecepatan rata-rata ( m/det )<br />

L = panjang karakteristik ( m )<br />

ν = viskositas kinematis ( m 2 /det )<br />

R e= angka Reynold tak berdimensi<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 14


Gaya kelembaman ( inertial forces ) adalah massa kali<br />

percepatan :<br />

F = m a = ρ L u t<br />

3 −1<br />

Percepatan dari suatu partikel du p / dt dapat dinyatakan<br />

dalam bentuk :<br />

d U p d U p d U p<br />

= = U p<br />

dt dS / U dt<br />

p<br />

Jadi percepatan juga proporsional pada U 2 L -1 , oleh karena<br />

itu gaya kelembaman proporsional pada<br />

( ) 2 −1<br />

2<br />

2<br />

u L L u<br />

3<br />

F = ρ L = ρ<br />

dimana L = panjang karakteristik<br />

(4.3.2)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 15


Gaya kekentalan ( viscous forces ) adalah luas permukaan<br />

dimana tegangan geser bekerja :<br />

F = L<br />

2 μ<br />

−<br />

u L<br />

1 = L μ u<br />

v<br />

(4.3.3)<br />

Perbandingan antara gaya kelembaman dan gaya viskus<br />

adalah :<br />

2 ρ L u<br />

L μ u<br />

2<br />

Lu<br />

= =<br />

μ<br />

ρ<br />

L u<br />

v<br />

=<br />

Re<br />

(4.3.4)<br />

Aliran laminer terjadi pada angka Reynold yang rendah<br />

karena gaya-gaya geser memegang peranan utama di<br />

dalam jenis aliran ini.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 16


Sebaiknya, di dalam aliran turbulen dimana gaya-gaya<br />

geser sangat kecil dibanding gaya-gaya kelembaman, angka<br />

Reynold sangat tinggi. Namun demikian ternyata<br />

perubahan dari aliran laminer menjadi turbulen tidak<br />

terjadi pada suatu harga Re tertentu. Dari percobaanpercobaan<br />

Reynold dapat dinyatakan bahwa di bawah suatu<br />

harga Re tertentu aliran adalah aliran laminer, sedang<br />

diatas harga Re tertentu aliran adalah aliran turbulen.<br />

Angka Reynold dimana terjadi transisi dari aliran laminer<br />

ke aliran turbulen disebut “ Angka Reynold Kritis “.<br />

Besarnya angka Reynold kritis untuk aliran di dalam pipa<br />

adalah ReCR = 2300<br />

u D<br />

Re = 〈 2300<br />

v<br />

aliran Laminer<br />

u D<br />

Re = 〉 2300<br />

v<br />

aliran Turbulen<br />

dimana D = diameter pipa = panjang karakteristik<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 17


Namun demikian, di dalam praktek dimana gangguan<br />

terhadap aliran dapat terjadi, perubahan dari aliran laminer<br />

ke turbulen tidak terjadi pada harga Re yang tetap sebesar<br />

2300, tetapi bervariasi antara 2000 dan 4000.<br />

Angka Reynold kritis untuk aliran saluran terbuka adalah :<br />

R e<br />

u R<br />

=<br />

v<br />

〈 600<br />

u R<br />

=<br />

v<br />

〉 800<br />

aliran Laminer aliran Turbulen<br />

dimana :<br />

R e = angka Reynold tidak berdimensi<br />

R = jari-jari hi<strong>dr</strong>aulik dalam m<br />

ū = kecepatan rata-rata aliran dalam m/det<br />

ν = viskositas cairan dalam m 2 /det<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 18<br />

R e


4.4. ALIRAN TETAP DAN LAMINER DARI<br />

CAIRAN TAK TERMAMPATKAN DI ANTARA DUA<br />

BIDANG SEJAJAR<br />

Kasus umum dari aliran tetap diantara dua bidang datar<br />

(pelat) sejajar dan terletak miring pertama-tama<br />

dikembangkan untuk aliran Laminer.<br />

p<br />

dz<br />

z<br />

dz<br />

γ dl<br />

dz<br />

τ dl<br />

θ<br />

h<br />

θ<br />

U<br />

⎛ ∂<br />

⎜ +<br />

⎝ ∂z<br />

τ<br />

τ<br />

dz<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

γ dl dz sinθ<br />

z<br />

u<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

dl<br />

∂ p ⎞<br />

p + d l ⎟ dz<br />

∂ l ⎠<br />

Gambar 4.5.<br />

Aliran Laminer<br />

diantara dua bidang<br />

datar yang terletak<br />

miring<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 19


Di dalam Gambar 4.5 ditunjukkan suatu aliran cairan<br />

diantara dua bidang datar dimana bidang bawah diam<br />

(tetap), sedang bidang atas bergerak sejajar dengan arah<br />

aliran dan terdapat pembagian tekanan di arah ℓ. Aliran<br />

dianalisa dengan mengambil suatu lapisan tipis (”lamina ”)<br />

tiap satuan lebar tegak lurus bidang gambar sebagai suatu<br />

bodi bebas ( free body ). Di dalam aliran tetap ” lamina ”<br />

tersebut bergerak dengan kecepatan tetap u. Dengan<br />

susunan gaya-gaya yang bekerja pada lamina seperti pada<br />

Gambar 4.5, maka persamaan gerak dapat dinyatakan<br />

sebagai berikut :<br />

⎛ dp ⎞ ⎛ dτ<br />

⎞<br />

p dy −⎜ p + dl<br />

⎟ dz −τ<br />

dl<br />

+ ⎜ τ + dz ⎟ dl<br />

+ γ dl<br />

dz sin θ = 0<br />

⎝ dl<br />

⎠ ⎝ dz ⎠<br />

atau :<br />

dp<br />

dl<br />

dτ<br />

dl<br />

dz + dl<br />

dz + γ dl<br />

dzsin<br />

θ = 0<br />

dz<br />

(4.4.1)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 20


apabila sin θ = - dh / dl dan persamaan tersebut diatas<br />

dibagi dengan volume lamina : dℓ dz + 1,<br />

maka akan didapat :<br />

τ ( )<br />

dp d dh<br />

− + −γ<br />

= 0<br />

dl<br />

dz dl<br />

d τ d<br />

atau = p + γ h<br />

(4.4.2)<br />

dz d l<br />

Selama tidak terdapat perubahan kecepatan di arah z atau<br />

tidak ada percepatan di arah z maka ruas kanan dari<br />

persamaan (4.3.2) bukan merupakan fungsi dari z.<br />

Integrasi dari persamaan tersebut menghasilkan persamaan :<br />

d<br />

τ = z ( p + γ h ) + A<br />

dl<br />

Kemudian, dengan memasukkan hukum Newton untuk<br />

visositas, yaitu : du<br />

μ<br />

dz<br />

(4.4.3)<br />

τ = (4.4.4)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 21


didapat persamaan :<br />

du d<br />

μ = z<br />

dz dl<br />

γ<br />

du<br />

=<br />

1 d<br />

dz μ dl<br />

p + γ h<br />

( p + h ) + A<br />

( )<br />

z<br />

+<br />

A<br />

μ<br />

Integrasi Persamaan (4.4.5) terhadap z didapat :<br />

1 d<br />

Az<br />

u =<br />

+<br />

2 μ dl<br />

μ<br />

2 ( p + γ h ) z + B<br />

dimana : A dan B adalah konstante integrasi<br />

Untuk mencari harga-harga A dan B tersebut<br />

digunakan kondisi batas sebagai berikut :<br />

Untuk z = 0 , u = 0 , sehingga :<br />

0 = 0 + B<br />

B = 0<br />

(4.4.5)<br />

(4.4.6)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 22


Untuk z = a , u = U , sehingga :<br />

1 d<br />

2 Aa<br />

U = ( p + γ h ) a +<br />

2 μ dl<br />

μ<br />

A U 1 d<br />

= − ( p + γ h )a<br />

μ a 2 μ dl<br />

Apabila Persamaan (4.4.8) dimasukkan ke dalam<br />

Persamaan (4.4.6) didapat :<br />

1 d<br />

2 ⎧ U z 1 d<br />

⎫<br />

u = ( p + γ h ) z + ⎨ − ( p + γ h ) az ⎬<br />

2 μ dl<br />

⎩ a 2 μ dl<br />

⎭<br />

(4.4.7)<br />

(4.4.8)<br />

U z 1 d<br />

( )( ) 2<br />

u = − p + γ h a z − z<br />

a 2 μ dl<br />

Persamaan (4.4.9) tersebut merupakan persamaan umum<br />

pembagian kecepatan aliran diantara dua bidang datar.<br />

(4.4.9)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 23


Beberapa hal khusus dapat menyederhanakan persamaan<br />

tersebut, yaitu :<br />

1. Untuk bidang horizontal h = C.<br />

2. Untuk aliran yang tidak mempunyai gradien karena<br />

tekananatauelevasiyaitupadakondisipembagian<br />

tekanan hi<strong>dr</strong>ostatis, p + γ h = C dan pembagian<br />

kecepatan merupakan garis lurus.<br />

3. Untuk U = 0, yaitu kondisi dimana bidang atas tidak<br />

bergerak, pembagian kecepatan adalah parabolik.<br />

Apabila aliran melalui suatu penampang tertentu yang tetap maka<br />

debit alirandapatditentukandenganmenggunakanpersamaan<br />

sebagai berikut :<br />

Q =<br />

a<br />

∫<br />

0<br />

u dz<br />

a<br />

⎧ U z<br />

= ∫ ⎨<br />

⎩ a 0<br />

1 d<br />

12 μ dl<br />

−<br />

1<br />

2<br />

d<br />

d<br />

μ l<br />

U a<br />

Q = − p γ h<br />

2<br />

( ) 3<br />

+<br />

( )( 2<br />

p + γ h a z − z )<br />

a<br />

⎫<br />

⎬dz<br />

⎭<br />

(4.4.10)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 24


4.5. ALIRAN TETAP LAMINER CAIRAN TAK<br />

TERMAMPATKAN DIDALAM SALURAN<br />

BERPENAMPANG LINGKARAN<br />

Untuk menurunkan persamaan aliran tetap laminer cairan<br />

tak termampatkan melalui suatu penampang saluran<br />

tertutup berbentuk lingkaran diambil suatu bodi( free body )<br />

berbentuk selongsong silinder kecil sekali seperti tampak<br />

pada Gambar 4.6 berikut ini :<br />

2π<br />

r<br />

<strong>dr</strong><br />

p<br />

γ 2π<br />

r <strong>dr</strong> dl<br />

d<br />

2 π r dlτ<br />

+ ( 2π<br />

r dlτ<br />

)<strong>dr</strong><br />

<strong>dr</strong><br />

γ 2π r <strong>dr</strong> dl<br />

sinθ<br />

θ<br />

2 π r<br />

r<br />

<strong>dr</strong><br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

p<br />

+ l<br />

l d<br />

dp<br />

d<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

Gambar 4.6.<br />

Susunan gaya-gaya<br />

yang bekerja pada<br />

suatu bodi yang<br />

berbentuk selongsong<br />

silinder di dalam pipa.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 25


Persamaan gerak dari aliran tetap dapat dinyatakan<br />

persamaan sebagai berikut :<br />

⎛ dp ⎞<br />

2π<br />

r <strong>dr</strong> p − 2π<br />

r <strong>dr</strong> ⎜ p + dl<br />

⎟ + 2π<br />

r dlτ<br />

−<br />

⎝ dl<br />

⎠<br />

⎡ d<br />

⎤<br />

⎢<br />

2π<br />

r dlτ<br />

+<br />

⎣ <strong>dr</strong><br />

⎥<br />

⎦<br />

( 2π<br />

r dlτ<br />

) <strong>dr</strong> + γ 2π<br />

r <strong>dr</strong> dlsinθ<br />

= 0<br />

Setelah disederhanakan persamaan tersebut menjadi :<br />

dp<br />

dτ<br />

− 2 π r <strong>dr</strong> dl<br />

+ 2π<br />

r <strong>dr</strong> dl<br />

+ γ 2π<br />

r <strong>dr</strong> dlsinθ<br />

= 0<br />

dl<br />

<strong>dr</strong><br />

dibagi dengan volume selongsong 2π r <strong>dr</strong> dl persamaan<br />

tersebut menjadi :<br />

dp dτ<br />

⎛ dh<br />

− + + γ ⎜ −<br />

dl<br />

<strong>dr</strong> ⎝ dl<br />

⎞<br />

⎟ = 0<br />

⎠<br />

d 1 d τ<br />

( p + γ h ) +<br />

dl<br />

r <strong>dr</strong><br />

( r )<br />

= 0<br />

(4.5.1)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 26


Karena d ( p + γ h ) / dl bukan merupakan fungsi r, maka<br />

persamaan (4.5.1) dapat di kali (r <strong>dr</strong>) sehingga menjadi :<br />

r d<br />

( p + γ h ) + τ r = A<br />

2<br />

dl<br />

(4.5.2)<br />

Kemudian, integrasi Persamaan (4.5.2) terhadap r akan<br />

menghasilkan persamaan :<br />

d<br />

( p + γ h ) r <strong>dr</strong> + d(<br />

τ r ) = 0<br />

dl<br />

dimana A adalah konstanta integrasi untuk pipa<br />

berpenampang lingkaran Persamaan (4.5.3) harus dapat<br />

dipenuhi apabila r = 0 yang menghasilkan A = 0.<br />

Dengan menggunakan persamaan Newton untuk<br />

viskositas, yaitu :<br />

τ = −<br />

du<br />

μ<br />

<strong>dr</strong><br />

(4.5.3)<br />

(4.5.4)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 27


dimana tanda (-) menunjukkan bahwa penambahan r akan<br />

menyebabkan berkurangnya u, maka Persamaan (4.5.3)<br />

dapat dinyatakan sebagai berikut :<br />

r<br />

2<br />

2<br />

du<br />

<strong>dr</strong><br />

du<br />

d<br />

dl<br />

=<br />

=<br />

( + γ ) − μ r = A<br />

p<br />

r d<br />

2 μ dl<br />

1<br />

2<br />

μ<br />

d<br />

dl<br />

h<br />

du<br />

<strong>dr</strong><br />

( p + γ h )<br />

−<br />

A<br />

μ r<br />

A<br />

μ r<br />

( p + γ h ) r <strong>dr</strong> − <strong>dr</strong><br />

2<br />

r d<br />

A<br />

U = ln +<br />

4 μ dl<br />

μ<br />

( p + γ h ) − r B<br />

(4.5.5)<br />

(4.5.6)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 28


Untuk mencari harga A dan B digunakan kondisi batas<br />

sebagai berikut :<br />

a. untuk aliran di dalam annulus seperti pada Gambar 4.7.<br />

Gambar 4.7.Aliran melalui annulus<br />

Apabila r = b, kecepatan u = 0, demikian pula apabila<br />

r = a, kecepatan u = 0.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 29


Dengan kondisi batas tersebut A dan B dapat dicari besarnya<br />

dan apabila harga A dan B dimasukkan kembali ke dalam<br />

Persamaan (4.5.6) akan didapat persamaan sebagai berikut :<br />

2 2<br />

1 d ⎛ a −b<br />

a<br />

u = −<br />

d<br />

⎜<br />

ln<br />

4 μ l ⎝ ln b / a r<br />

( ) ⎟ 2 2<br />

p + γ h ⎜ a − r +<br />

⎞<br />

⎠<br />

( )<br />

2 2<br />

(4.5.7)<br />

a<br />

2<br />

π d ⎡ ⎤<br />

∫<br />

4 4 a −b<br />

Q = 2π<br />

r u <strong>dr</strong> = − ( p + γ h ) ⎢ a −b<br />

⎥<br />

b<br />

8μ<br />

dl<br />

⎢⎣<br />

ln a / b ⎥⎦<br />

b. Pipa berpenampang lingkaran<br />

Untuk aliran di dalam suatu pipa berpenampang<br />

lingkaran dengan jari-jari r, kecepatan u = 0 pada r = a.<br />

Dari Persamaan (4.5.3) diketahui bahwa untuk r = 0,<br />

A = 0 maka Persamaan (4.5.6) dapat dinyatakan sebagai<br />

berikut :<br />

2<br />

r d<br />

U = ( p + γ h ) + B<br />

4 μ dl<br />

(4.5.8)<br />

(4.5.9)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 30


2<br />

a d<br />

B = − γ<br />

4 μ dl<br />

atau :<br />

atau :<br />

( p + h )<br />

1 d<br />

U = γ −<br />

4 μ dl<br />

sehingga :<br />

2 2<br />

( p + h )( r a )<br />

( − )<br />

2 2<br />

a r d<br />

U = −<br />

p γ h<br />

4 μ dl<br />

( + )<br />

2<br />

2<br />

r d<br />

a d<br />

U =<br />

γ<br />

4 μ dl<br />

4 μ dl<br />

( p + γ h ) − ( p + h )<br />

(4.5.10)<br />

(4.5.11)<br />

Kecepatan maksimum adalah pada sumbu pipa atau pada<br />

r = 0, sehingga kecepatan maksimum dapat dirumuskan<br />

dari Persamaan (4.5.11) dengan memasukkan harga r = 0.<br />

2<br />

a d<br />

U max<br />

= − p γ h<br />

4 μ dl<br />

( + )<br />

(4.5.12)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 31


Persamaan (4.5.11) menunjukkan bahwa diagram pembagian<br />

kecepatan aliran di dalam saluran tertutup berpenampang<br />

lingkaran berbentuk parabola. Kemudian, apabila kecepatan<br />

rata-rata aliran dinyatakan dalam ū maka persamaan<br />

kecepatan rata-rata dapat diturunkan dari Persamaan<br />

(4.5.11) sebagai berikut :<br />

Q = U<br />

π r<br />

2<br />

U<br />

A=<br />

=<br />

1<br />

U = −<br />

π r<br />

a<br />

∫<br />

0<br />

2<br />

∫<br />

A<br />

u dA<br />

2π<br />

r<br />

×<br />

⎧<br />

⎨<br />

⎩<br />

2π<br />

d<br />

4 μ dl<br />

2<br />

a d<br />

U = − p γ h<br />

8 μ dl<br />

2<br />

a − r<br />

−<br />

4 μ<br />

( + )<br />

2<br />

d<br />

dl<br />

( p + γ h )<br />

( p + γ h )<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

a<br />

r<br />

2<br />

2<br />

2<br />

⎫<br />

⎬<br />

⎭<br />

4<br />

r<br />

−<br />

4<br />

<strong>dr</strong><br />

⎤<br />

⎥<br />

⎦<br />

a<br />

0<br />

(4.5.13)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 32


Dari Persamaan (4.5.12) dan Persamaan (4.5.13) dapat<br />

dilihat bahwa kecepatan rata-rata ū sama dengan setengah<br />

dari kecepatan maksimum :<br />

U = U<br />

1<br />

U = U<br />

2<br />

max (4.5.14)<br />

Dengan demikian maka besarnya debit aliran adalah :<br />

4<br />

π a d<br />

Q = − p γ h<br />

8 μ dl<br />

( + )<br />

(4.5.15)<br />

untuk pipa yang terletak horizontal tinggi h = konstan<br />

sehingga penurunan h terhadap ℓ = 0 dan apabila<br />

penurunan tekanan diarah aliran sepanjang L adalah Δp<br />

atau –Δp / L = dp / dℓ maka Persamaan (4.5.15) dapat<br />

dinyatakan sebagai berikut :<br />

4<br />

π r Δp<br />

Q =<br />

8 μ L<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 33


atau :<br />

4 π D Δp<br />

Q =<br />

128μ<br />

L<br />

U<br />

2<br />

D Δp<br />

=<br />

32 μ L<br />

128 μ LQ<br />

Δp<br />

=<br />

4 π D<br />

4<br />

D Δp<br />

=<br />

128Q<br />

L<br />

π<br />

μ<br />

(4.5.16)<br />

(4.5.17)<br />

(4.5.18)<br />

(4.5.19)<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 34


Persamaan (4.5.16) dikenal sebagai ” persamaan Hagen –<br />

Paiseuille ”. Persamaan tersebut ditentukan secara terpisah<br />

oleh Hagen dalam tahun 1839 dan secara terpisah<br />

Paiseuille tahun 1840, sedangkan secara analitik dilakukan<br />

oleh Wicdemam dalam tahun 1856.<br />

Persamaan (4.5.19) kemudian digunakan untuk menentukan<br />

viskositas suatu cairan dengan menggunakan percobaan<br />

aliran melalui suatu pipa tertentu dalam peletakan<br />

horizontal. Selanjutnya, penggunaan Persamaan (4.5.16)<br />

sampai dengan Persamaan (4.5.19) harus memperhatikan<br />

tiga hal penting, yaitu : a).pipa terletak horizontal,<br />

b).kekasaran dinding saluran sedemikian sehingga dapat<br />

diabaikan, dan c).tidak berlaku pada daerah di dekat<br />

pemasukan ( entrance ) apabila aliran di dalam pipa keluar<br />

dari suatu tanki atau reservoir.<br />

Mekanika Fluida - TEP 201 35

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!