Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

12
FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014 BAB I FLUID CIRCUIT FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS 1.1 Dasar Teori 1.1.1 Definisi Fluida Fluida adalah Zat yang terdefomasi secara terus-menerus (continue) akibat terkena tegangan geser (shear stress). Hal ini menunjukkan terdapat tegangan geser ketika fluida mengalir. Keterangan : τ = Tegangan Geser Fluida (N/m 2 ) μ = Viskositas Fluida (kg/m.s) = Gradien Kecepatan (m/s) 1.1.2 Macam-macam Fluida a. Bedasarkan mampu mampat 1. Incompressible fluid : Apabila fluida mendapat tekanan, maka volume dan massa jenisnya tetap. Incompressible fluid memiliki bilangan bilangan Mach lebih kecil dari 0,3. Contoh : Fluida Cair. 2. Compresible fluid : Apabila fluida mendapat tekanan, maka volume dan massa jenisnya tetap. Compressible fluid memliki bilangan Mach lebih besar dari 0,3 contoh : Fluida Gas. Bilangan Mach adalah Rasio antara kecepatan ( V) pada suatu kondisi di dalam fluida yang mengalir tehadap nilai kecepatan sonic (c) Keterangan : V = Kecepatan fluida (m/s 2 ) C = Kecepatan suara (m/s 2 ) M = Bilangan Mach

Transcript of Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

Page 1: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

BAB I

FLUID CIRCUIT FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

1.1 Dasar Teori

1.1.1 Definisi Fluida

Fluida adalah Zat yang terdefomasi secara terus-menerus (continue) akibat

terkena tegangan geser (shear stress). Hal ini menunjukkan terdapat tegangan geser

ketika fluida mengalir.

Keterangan :

τ = Tegangan Geser Fluida (N/m2)

µ = Viskositas Fluida (kg/m.s)

= Gradien Kecepatan (m/s)

1.1.2 Macam-macam Fluida

a. Bedasarkan mampu mampat

1. Incompressible fluid : Apabila fluida mendapat tekanan, maka volume dan massa

jenisnya tetap. Incompressible fluid memiliki bilangan bilangan Mach lebih kecil

dari 0,3. Contoh : Fluida Cair.

2. Compresible fluid : Apabila fluida mendapat tekanan, maka volume dan massa

jenisnya tetap. Compressible fluid memliki bilangan Mach lebih besar dari 0,3

contoh : Fluida Gas.

Bilangan Mach adalah Rasio antara kecepatan ( V) pada suatu kondisi di dalam

fluida yang mengalir tehadap nilai kecepatan sonic (c)

Keterangan :

V = Kecepatan fluida (m/s2)

C = Kecepatan suara (m/s2)

M = Bilangan Mach

Page 2: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

Pembagian kecepatan berdasarkan bilangan mach :

Subsonik (Mach < 1,0)

Sonik (Mach = 1.0)

Transonik ( 0,8 < Mach < 1.3)

Supersonik (Mach > 1.0)

Hypersonik (mach > 5.0)

b. Berdasarkan Laju Deformasi dan Tegangan Geser

1. Newtonian Fluid : Suatu fluida yang mempunyai tegangan geser dan regangan

geser secara linier. Viskositas dari newtonian fluid tidak berubah terhadap gaya

yang yang bekerja pada fluida, viskositas newtonian fluid hanya bergantung pada

temperatur dan tekanan. Contoh Newtonian Fluid adalah air.

Keterangan :

τ = Tegangan Geser Fluida (N/m2)

µ = Viskositas Fluida (Kg/m.s)

= Gradien Kecepatan (m/s)

Gambar 1.1 Variasi linier dari tegangan geser terhadap laju regangan geser untuk fluida-

fluuida yang umum

Sumber : Mekanika Fluida, Bruce R. Munson Hal :20

Page 3: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

2. Non- Newtonin Fluid : Fluida yang Tegangan gesernya tidak berhubungan secara

linier tehadap laju regangan geser. Fluida ini mengalami perubahan viskositas

ketika terdapat gaya yang bekerja pada fluida tesebut. Contoh : Cat, pelumas dan

plastik

Gambar 1.2 Variasi linier dari tegangan geser terhadap laju regangan geser beberapa

fluida termasuk fluida non-Newtonian

Sumber : Mekanika Fluida, Bruce R. Munson Hal :20

c. Berdasarkan sifat aliran

1. Aliran Laminer : Fluida yang alirannya memiliki lintasan lapisan batas yang

panjang, sehingga seperti berlapis-lapis. Aliran ini mempunyai bilangan Re kurang

dari 2300. Aliran fluida ini mengikuti garis lurus, kecepatan fluida rendah dan

lintasan teratur antara satu dengan yang lain.

Gambar 1.3 Aliran laminar

Sumber : http://coffee4engineer.blogspot.com/2012/04/grid-dependency-test-pada-

aliran-di.html

2. Aliran Transisi : Fluida yang alirannya merupakan aliran prlihan dari aliran laminar

ke aliran turbulen. Aliran transisi memilii bilangan Re antara 2300-4000.

Page 4: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

Gambar 1.4 Aliran transisi

Sumber : http://coffee4engineer.blogspot.com/2012/04/grid-dependency-test-pada-

aliran-di.html

3. Aliran Turbulen : Fluda yang alirannya mengalam pergolakan (berputar-putar) dan

mempunyai bilangan Re lebi dari 4000. Ciriciri Fluida ini tidak memiliki

keteraturan dalam lintasan fluida, aliranya banyak bercampur, dan kecepatan fluida

tinggi.

Gambar 1.5 Aliran turbulen

Sumber : http://coffee4engineer.blogspot.com/2012/04/grid-dependency-test-pada-

aliran-di.html

Untuk menentukan aliran laminar atau turbulen, digunakan bilangan Reynolds yaitu

merupakan bilangan tak berdimensi yang digunakan untuk membedakan suatu

aliran laminar atau aliran turbulen. Dirumuskan dengan :

Keterangan :

Vs = Kecepatan Fluida (m/s)

L = Panjang karakteristik (m)

µ = Viskositas absolute fluida dinamis (kg/m.s)

v = Viskositas kinematik fluida (m2/s)

ρ = Kerapatan (densitas) fluida (kg/m3)

d. Berdasarkan bentuk aliran

1. Fluida statis : Fluida yang berada dalam fase tiak bergerak (diam) atau fluida dalam

keadaanbergerak tetapi tidak terdapat perubahan kecepatan. Fluida statis

diasumsikan tidak memiliki gaya geser. Fluida statis diasumsikan tidak memiliki

gaya geser.

Page 5: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

2. Fluida dinamis : Fluida yang mengalir dengan kecepatan yang tidak seragam.

Biasanya fluida ini mengalir dari luas penampang tertentu ke luas penampang yang

berbeda.

1.1.3 Hukum Bernoulli

Merupakan pernyataan secara kuantitatif secara matematis dari asas Bernoulli.

Fluida mengalir pada pipa dengan luas penampang dan ketinggian yang berbeda dari titik

acuan.

Fluida pada penampang A1 memiliki ketinggian h1 dan pada penampang A2

memiliki ketinggian h2. Setelah waktu fluida berpindah dari titik a ke b pada

penampang A1 dan dari titik c ke titik d pada penampang A2. Jika pada masing-masing

penampang bekerja gaya F1 dan F2 yang arahnya berlawanan maka usaha yang dilakukan

oleh masing-masing gaya dapat ditentukan sebagai berikut.

a. Usaha pada penampang A1

W1 = F1 (ab) = F1. 1

W1 = P1.A1. 1

b. Usaha pada penampang A2

W2 = F2 (cd) = -F2. 2

W2 = -P2.A1. 1

Usaha total yang dilakukan oleh F1 dan F2 adalah

Dengan memperhatikan posisi (ketinggian terhadap permukaan bumi) dan kecepatan

aliran fluida yang berubah maka berlaku prinsip teorema usaha-energi. Usaha total yang

dilakukan untuk mendorong fluida sama dengan perubahan energy mekanik.

( )

(

)

Page 6: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

Fluida dianggap fluida ideal sehingga tidak mengalami pemampatan selama

perpindahan. Dengan demikian, baik volume maupun massa akan konstan (tetap),

sehingga berlaku :

Secara umum dapat ditulis :

Dengan :

P = Tekanan fluida (pascal atau Pa)

Ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

h = Ketinggian dari titik acuan (m)

v = Kecepatan aliran fluida (m/s)

1.1.4 Head

Head adalah energi per satuan berat yang harus disediakan untuk mengalirkan

sejumlah zat cair untuk dikonversikan menjadi bentuk lain. Head mempunyai satuan

meter (m). menurut persamaan Bernoulli, terdapat tiga macam head dari sistem instalasi

aliran, yaitu :

a. Head Tekanan : perbedaan head yang bekera pada permukaan zat cair pada sisi tekan

dengan head tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair pada sisi isap. Head

dituliskan dengan rumus :

Keterangan :

: Head tekanan

: Head tekanan pada permukaan zat cair pada sisi tekan

: Head tekanan pada permukaan zat cair pada sisi isap

b. Head Kecepatan :perbedaan antar head kecepatan zat cair pada saluran tekan dengan

head kecepatan zat cair pada saluran isap. Head kecepatan dituliskan dengan rumus :

Page 7: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

Keterangan :

hk : Head Kecepatan

: Kecepatan zat cair pada saluran tekan

: Kecepatan Zat cair pada saluran isap

c. Head Statis Total : perbedaan tinggi antara permukaan zat cair pada sisi tekan dengan

permukaan zat cair pada sisi isap. Head statis total dapat dinyatakan dengan rumus.

Keterangan :

Z : Head statis total

Zd : Head statis pada sisi tekan

Zs : Head statis pada sisi isap

1.1.5 Losses

Losses merupakan kerugian energi atau kerugian aliran fluida yang diakibatkan

oleh beberapa faktor, oleh beberapa faktor yaitu bentuk, ukuran dan kekasaran saluran,

kecepatan fluida, kekentalan fluida. Kerugian aliran dibagi menjadi dua :

a. Mayor losses : Merupakan suatu kerugian energi yang dialami oleh aliran fluida dalam

pipa yang disebabkan oleh koefisien gesekan pipa yang besarnya tergantung

kekasaran pipa, diameter pipa, dan bilangan Reynold yang dinyatakan dengan :

Keterangan :

hf = Mayor losses (m)

f = Koefisien gesekan

L = Panjang pipa (m)

V = Kecepatan rata-rata cairan dalam pipa (m/s)

D = Diameter dalam pipa (m)

Page 8: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

b. Minor losses : Suatu kerugian yang dialami oleh aliran fluida yang disebabkan oleh

valve, elbow, orifice dan perubahan penampang. Dapat dituliskan sebagai berikut :

Keterangan :

h = kerugian aliran akibat valve, tikungan dan luas penampang (m)

k = koefisien hambatan valve, tikungan dan luas penampang

V = kecepatan aliran (m/s)

g = gravitasi bumi (m/s2)

1.1.6 Viskositas

Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar gesekan

di fluida. Viskositas menentukan kemampuan fluida untuk m engalir, semakin sulit benda

(fluida) mengalir dan benda akan makin susah bergerak. Viskositas dibagi menjadi 2,

yaitu:

a. Viskositas dinamik : perbandingan antara tegangan dan gradien kecepatan geser .

viskositas dinamik dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan :

= viskositas dinamik (kg/ms)

= tegangan geser fluida (N/m2)

du = kecepatan relatif kedua permukaan (m/s)

dy = tebal lapisan film fluida (m)

b. Viskositas kinematik : perbandingan viskositas dinamik dengan kerapatan cairan.

Viskositas dirumuskan sebagai berikut :

Keterangan :

v = viskositas kinematik (m2/s)

= viskositas dinamik ( kg/ms)

= kerapatan fluida (kg/m3)

Page 9: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

Faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas antara lain :

a. Suhu

Viskositas berbanding terbalik dengan suhu. Jika suhu naik maka viskositas akan

turun, dan begitu pun sebaliknya. Hal ini disebabkan karena adanya gerakan partikel-

partikel cairan yang semakin cepat apabila suhu ditingkatkan dan menurun

kekentalannya.

b. Tekanan

Viskositas berbanding lurus dengan tekanan, karena semakin besar tekanannya,

cairan akan semakin sulit mengalir akibat dari beban yang dikenakannya.

c. Berat molekul

Viskositas berbanding lurus dengan berat molekul, karena adanya molekul yang

berat akan menghambat atau memberi beban yang berat akan menghambat atau

memberi beban yang berat pada cairan sehingga akan menaikkan viskositasnya

1.1.7 Macam-macam Katup

Katup adalah sebuah alat untuk mengatur aliran suatu fluida dengan menutup,

membuka atau menghambat sebagian dari jalannya aliran. Beberapa macam katup yang

sering digunakan, yaitu :

a. Gate Valve

Bentuk penyekat adalah piringan, atau sering disebut wedge, yang digerakkan ke

atas bawah untuk membuka dan menutup. Biasanya digunakan untuk posisi buka atau

tutup sempurna dan tidak disarankan untuk posisi sebagian terbuka.

Gambar 1.6 Gate Valve

Sumber : http://www.trademart.in/gate-valves/product/search-exporters.html

Page 10: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

b. Globe Valve

Digunakan untuk mengatur banyaknya aliran fluida.

Gambar 1.7 Globe Valve

Sumber : http://mesinmusamus.webnode.com/coursematerials/perpipaan/valve/

c. Butterfly Valve

Bentuk penyekatnya adalah piringan yang mempunyai sumbu putar di tengahnya.

Menurut desainnya, dapat dibagi menjadi concentric dan eccentric. Eccentrik memliki

desain yang lebih sulit tetapi memiliki fungsi yang lebih baik dari concentric.

Bentuknya yang sederhana membuat lebih ringan dibandingkan valve lainnya.

Gambar 1.8 Butterfly Valve

Sumber : http://mesinmusamus.webnode.com/course/materials/perpipaan/valve/

d. Ball Valve

Bentuk penyekatnya berbentuk bola yang mempunyai lubang menerobos

ditengahnya.

Page 11: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

Gambar 1.9 Ball Valve

Sumber : http://mesinmusamus.webnode.com/coursematerials/perpipaan/valve/

e. Plug Valve

Seperti ball valve, tetapi bagian dalamnya bukan berbentuk bola, melainkan

silinder. Karena tidak ada ruangan kosong di dalam badan valve, maka cocok untuk

fluida yang berat atau mengandung unsur padat seperti lumpur.

Gambar 1.10 Plug Valve

Sumber : http://zgv1997.en.madeinchina.com/offer/GegQlHXTvIWR/Sell- Plug-

Valve.html

Page 12: Dasar Teori Bab I - Fluid Circuit

FLUID FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2013/2014

1.1.8 Jenis-jenis Flowmeter

Flowmeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur debit fluida, ada 4

jenis Flow meter yaitu

1. Rotameter

Alat yan digunakan untuk mengukur tingkat aliran fluida dalam tabung tertutup.

Tersusun dari tabung dengan pelampung didalamnya yang kemudian didorong oleh

aliran lalu ditarik ke bawah oleh gravitasi.

2. Venturi

Alat yang digunakan untuk mengetahui beda tekanan. Efek venture terjadi ketika

fluida tersebut bergerak melalui pipa yang menyempit.

3. Orifice

Alat untuk mengukur besar arus aliran. Terdapat 3 jenis orifice, yaitu :\

a. Concentric orifice

Digunakan untuk semua jenis fluida yang tidak mengandung partikel padat.

b. Eccentric orifice

Digunakan untuk fluida yang mengandung partikel padat.

c. Segmental orifice

Digunakan untuk fluida khusus