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