simple suple: TUGAS

Klarifikasikan aliran zat cair adalah sebagai berikut:

1. Aliran Invisid dan Viskos

2. Aliran Kompresibel dan tak Kompresibel

3. Aliran Laminer dan Turbulen

4. Aliran Mantap dan tak Mantap

5. Aliran Seragam dan tak Seragam

6. Aliran 1D, 2D, dan 3D

7. Airan Kritis, Subkritis, dan Super kritis

1. Aliran Invisid dan Viskos

Airan invisid adalah aliran dimana kekentalan zat cair (µ) dianggap nol (zat cair ideal). Sebenarnya zat cair dengan kekentalan nol tidak ada di alam, tetapi dengan anggapan tersebut akan meyederhanakan permasalahan yang sangat kompleks dalam hidraulika. Karena zat cair tidak memiliki kekentalan maka tidak terjadi tegangan geser antara partikel zat cair dan antara zat cair dan bidang batas. Pada kondisi tertentu, anggapan µ=0 dapat diterima untuk zat cair dengan kekentalan kecil seperti air.

Aliran viskos adalah aliran dimana kekentalannya diperhitungkan (zat cair riil). Keadaan ini menyebabkan timbulnya tegangan geser antara pertikel zat cair yang bergerak dengan kecepatan berbeda. Ababila zat cair riil mengalir pada bidang batas yang diam, zat cair yang berhubungan langsung dengan bidang batas tersebut akan mempunyai kecepatan nol (diam). Kecepatan zat cair akan bertambah sesuai dengan jarak dari bidang tersebut. Apabila medan aliran sangat dalam /lebar, di luar suatu jarak tertentu dari bidang atas, aliran tidak lagi di pengarugi oleh hambatan bidang batas. Pada daerah tersebut kecepatan aliran hamper seragam. Bagian aliran yang berada dekat dengan bidang batas, di mana terjadi perubahan kecepatan yang

besar dikenal dengan lapis batas (boundary layer). Di daerah lapis batas ini tegangan geser terbentuk di antara lapis-lapis zat cair yang bergerak denga kecepatan berbeda karena adanya kekentalan zat cair dan turbulensi yang menyebabkan partikel zat cair bergerak dari lapis yang satu ke lapis lainnya. Di luar lapis batas tersebut pengaruh tegangan geser yang terjadi karena adanya bidang batas dapat diabaikan dan zat cair dapat dianggap sebagai zat cair ideal.

Gambar 1.1 Aliran Invisid

Gambar 1.2 Aliran Viscous

Sumber: Triadmodjo, Bambang.1993. Hidolika 1. Beta Offset : Jogjakarta

2. Aliran Kompresibel dan tak Kompresibel

Semua fluida (termasuk zat cair) adalah komprasibel sehigga rapat masanya berubah dengan perubahan tekanan. Pada aliran mantap dengan menganggap bahwa zat cair adalah tak kompresibel dan rapat massa adalah konstan. Oleh karena zat cair mempinyai kemampatan yang sangat kecil, maka dalam analisis aliran mantap sering dilakukan anggapan zat cair tak kompresibel. Tetapi pada aliran tak mantap melalui pipa di mana bisa tejadi peruahan tekanan yang sangat besar, maka kompresibilitas zat cair harus diperhitungkan. Untuk gas di mana kemampatannya besar, maka perubahan rapat massa karena adanya perubahan tekanan harus diperhitungkan.

Jadidapat disimpulkan bahwa aliran kompresibel adalah suatu aliran yang dimana rapat massanya berubah dengan perubahan dari tekanan (termampatkan), sedangkan aliran tak kompresibel adalah suatu aliran dimana rapat massanya tidak berubah dengan perubahan tekanan (tak temampatkan), dan rapat massanya dianggap konstan.

(a) (b)

Gambar 2.1 Aliran Kompresible (a) dan Aliran tak Kompresible (b)

Sumber: Triadmodjo, Bambang.1993. Hidolika 1. Beta Offset : Jogjakarta dan Hartono SST, - . Buku Ajar Mekanika Fluida. Politeknik Negeri Semarang : Semarang

3. Aliran Laminer dan turbulen

Aliran Laminer adalah partikel pertikel zat cair bergerak teratur dengan membentuk garis lintasan kontinyu dan tidak saling berpotongan. Apabila zat membentuk garis lintasan kontinyu dan tidak saling berpotongan. Apabila zat warna diinjeksikan pada suatu titik dalam aliran, maka zat warna tesebut akan mengalir menurut garis aliran yang teratur seperti benang tanpa terjadi difusi atau penyebaran. Pada aliran di saluran/pipa yang mempunyai bidang batas sejajar, garis-garis lintasan akan sejajar. Sedang di dalam saluran yang mempunyai sisi tidak sejajar, garis aliran akan menguncup atau mengembang sesuai dengan bentuk saluran. Kecepatan partikel zat cair pada masing-masing garis lintasan tidak sama tetapi bertambah dengan jarak dari dinding saluran. Aliran laminar dapat terjadi apabila kecepatan aliran rendah, ukuran saluran sangat kecil dan zat cair mempunyai kekentalan besar. Gambar 3.1 adalah contoh dari aliran laminar di dalam pipa dengan penampang konstan dan tidak konstan.

(a) (b)

Gambar 3.1 Aliran Laminer (a) dan Aliran Turbulen (b)

Pada aliran turbulen (gambar 3.1b) partikel-paetikel zat cair bergerak tidak teratur dan garis lintasannya saling berpotongan. Zat warna yang dimasukkan pada suatu titik dalam aliranakan terdifusi dengan cepat ke seluruh aliran. Aliran turbulen terjadi apabila kecepatan aliran besar, saluran besar dan zat cair mempunyai kekentalan kecil. Aliran di sungai, saluran irigasi/drainasie dan di laut adalah contoh dari aliran turbulen.

Sumber : http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/1397/1/sipil-ichwan.pdf dan Triadmodjo, Bambang.1993. Hidolika 1. Beta Offset : Jogjakarta

4. Aliran mantap dan tak mantap

Aliran mantap (steady flow) terjadi jika variable dari aliran (seperti kecepatan V, tekanan p, rapat massa p, tampang aliran A, debit Q, dsb.) di sembarang titik pada zat cair tidak beribah dengan waktu. Keadaan ini dapat dinyatakan dalam bentuk matematis berikut:

Dalam aliran tubulen, gerak partikel zat cair selalu tidak beraturan. Di sembarang titik selalu terjadi fluktuasi kecil dari kecepatan. Tetapi jika nilai reratanya pada suatu perode adalah konstan maka aliran tersrbut adalah permanen. Gambar 4.1a menunjukkan kecepatan sebafai fungsi waktu pada suatu titik dalam aliran turulen. Kecepatan reratanya adalah:

yang ditunjukkan pada gambar 3.1b tersebut sebagai garis horisontal yang konstan terhadap waktu. Aliran melalui pipa dengan tekanan tetap dan aliran melalui saluran irigasi adalah contoh dari aliran mantap.

(a) (b)

Gambar 4.1 Kecepatan fungsi waktu untuk aliran mantap (a) dan tak mantap (b)

Aliran tak mantap (unsteady flow) terjadi jika variabel aliran pada setiap titik berubah dengan waktu,

Contoh dari aliran tak mantap adalah perubahan debit didalam pipa atau saluran, aliran banjir di sungai, aliran di estuary (muara sungai) yang dipengaruhi pasang surut, dsb. Gambar 4.1b menunjukan kecepatan ssebagai fungsi waktu pada suatu titik aliran turbulen dan tak mantap. Analisis dari aliran ini adalah sangat kompleks, biasanya penyelesainnya dilakukan secara numeric dengan menggunakan computer.

Sumber: Triadmodjo, Bambang.1993. Hidolika 1. Beta Offset : Jogjakarta

5. Aliran seragam dan tak seragam

Aliran seragam (uniform flow) apabila tidak ada perubahn besar dan arah dari kecepatan dari satu titik ke titik yang lain di sepanjang aliran (gambar 5.1). Demikian juga dengan variabel-variabel lainnya seperti tekanan, rapat massa, kedalaman, dsb.

Aliran di saluran panjang dengan debit dan penampang tetap adalah contoh dari aliran seragam.

Aliran tak seragam (non uniform flow) mterjadi jika semua variabel aliran berubah dengan jarak atau:

Gambar 5.1 Aliran Uniform dan non-Uniform

Contoh dari aliran tak seragam adalah aliran di sungai atau di saluran di daerah dekat terjunann atau bending. Gambar 5.1 menunjukan aliran beraturan dan tak beraturan.

Sumber: Triadmodjo, Bambang.1993. Hidolika 1. Beta Offset : Jogjakarta

6. Aliran 1D, 2D, dan 3D

Dalam aliran satu dimensi (1-D), kecepatan di setiap titik pada tampang lintang mempunyai besar dan arah yang sama. Sebenarnya jenis aliran semacam, ini sangat jarang terjadi. Tetapi dalam analisa hidrulika, aliran tiga dimensi dapat disederhanakan menjadi aliran satu dimensi berdasarkan beberapa anggapan, misalnya mengabaikan perubahan kecepatann vertical dan melintang terhadap kecepatan terhadap arah memanjang. Keadaan pada tampang lintang adalah nilai merata dari kecepatan, rapat massa, dan sifat sifat lainnya. Aliran di dalam pipa atau aliran saluran kecil adalah salah satu contoh dari aliran yang dapat di anggap sebagai saluran satu dimensi. Di dalam aliran tak seragam seperti yang di tunjukan pada gambar 6.1 kecepatann aliran pada tampang AA dan BB adalah meratta. Perubahan kecepatan hanya terjadi pada arah aliran

Dalam aliran dua dimensi (2-D), semua partikel dianggap mengalir dalam bidang sepanjang aliran, sehingga tidak ada aliran tegak lurus pada bidang tersebut (gambar 6.2). Bidang tersebut bias mendatar atau vertical tergantung pada masalah yang di tinjau. Apabila distribusi vertical dari kecepatan atau sifat-sifat yang lain adalah penting dari pada arah melintang maka aliran dapat dianggap dua dimensi vertical. Sedang aliran di saluran yang sangat lebar, misalnya di pantai, maka anggapan aliran dua dimensi mendatar adalah lebih sesuai.

Kebanyakan aliran di dalam tiga dimensi, dimana komponen kecepatan u, v, dan w adalah fungsi dari koordinat ruang x, y, dan z. analisa dari aliran ini adalah sangat sulit. Gambar 6.3 menunjukkan aliran tiga dimensi (3-D).

Gambar 6.1 Aliran 1D

Gambar 6.2 Aliran 2D

Sumber: Triadmodjo, Bambang.1993. Hidolika 1. Beta Offset : Jogjakarta

7. Aliran Kritis, Sub Kritis, dan Super Kritis

Aliran kritis merupakan kondisi aliran yang dipakai sebagai pegangan dalam menentukan dimesi bangunan ukur debit. Pada kondisi tersebut, yang disebut sebagai keadaan aliran modular bilamana suatu kondisi debutnya maksimum dan energi spesifiknya adalam minimum.

Fenomena aliran modular pada pintu yang diletakkan di atas ambang untuk satu energi spesifik yang konstan (E0) dapat diidentifikasi melalui 3 (tiga) kondisi seperti berikut :

Gambar 7.1 Hubungan antara debit dan tinggi air pada kondisi energi spesifik konstan

Aliran subkritis dan aliran superkritis dapat diketahui melalui nilai bilangan Froude (F) . Bilangan Froude tersebut membedakan jenis aliran menjadi tiga jenis yakni: Aliran kritis, Subkritis dan superkritis (Queensland Department of Natural Resources and Mines, 2004). Ketiga jenis aliran dapat dijelaskan sebagai berikut:

a) Aliran kritis, jika bilangan Froude sama dengan 1 (Fr = 1) dan gangguan permukaan (cth: riak yang terjadi jika sebuah batu di lempar ke dalam sungai) tidak akan bergerak/menyebar melawan arah arus.

b) Aliran subkritis, jika bilangan Froude lebih kecil dari 1 (Fr<1). Untuk aliran subkritis, kedalaman biasanya lebih besar dan kecepatan aliran rendah (semua riak yang timbul dapat bergerak melawan arus). Kecepatan air < kecepatan gelombang hulu aliran dipengaruhi pengendali hilir.

c) Aliran superkritis, Jika bilangan Froude lebih besar dari 1 (Fr>1). Untuk aliran superkritis kedalaman relatife lebih kecil dan kecepatan relative tinggi (segala riak yang ditimbulkan dari suatu gangguan adalah mengikuti arah arus. Kecepatan air > kecepatan gelombang hulu aliran tidak dipengaruhi pengendali hilir.

Gambar 7.2Gelombang Kritis, Subkritis, dan Superkritis

Rumus Bilangan Froude :

(30)

Untuk saluran yang berbentuk trapezium, bilangan Froude dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

(31)

Dimana:

Fr = bilangan Froude

V = rata-rata kecepatan aliran (m/dtk)

b = bottom width (m)

Z = rasio kemiringan sisi

g = gaya gravitasi (9.8 m/dtk)

y = kedalaman aliran (m)

Gambar 7.3 Aliran Subkritis dan Superkritis

Contoh penerapan aliran kritis, subkritis dan superkritis yaitu Aliran Melalui Pintu Sorong / Gerak]. Kondisi aliran melalui pintu sorong (Sluice gate) akan tampak jelas apakah dalam kondisi aliran bebas atau tenggelam, tergantung dari kedalaman air di hilir pintu yang secara bergantian ditentukan oleh kondisi aliran di hilir pintu tersebut. Kondisi aliran bebas (free flow) dicapai bila aliran di hulu pintu adalah sub kritis, sedangkan aliran di hilir pintuadalah super kirtis sebagaimana diperlihatkan dalam gambar berikut :