Aliran Turbulen (Turbulent Flow)
A. Laminer dan Turbulen
Laminer adalah aliran fluida yang ditunjukkan dengan gerak partikel-partikel fluidanya sejajar dan garis-garis arusnya halus. Dalam aliran laminer, partikel-partikel fluida seolah-olah bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus dan lancar, dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang bersebelahan. Sifat kekentalan zat cair berperan penting dalam pembentukan aliran laminer. Aliran laminer bersifat steady maksudnya alirannya tetap. “Tetap” menunjukkan bahwa di seluruh aliran air, debit alirannya tetap atau kecepatan aliran tidak berubah menurut waktu.
Aliran fluida pada pipa, diawali dengan aliran laminer kemudian pada fase berikutnya aliran berubah menjadi aliran turbulen. Fase antara laminer menjadi turbulen disebut aliran transisi. Aliran laminar mengikuti hukum Newton tentang viskositas yang menghubungkan tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut. Tetapi pada viskositas yang rendah dan kecepatan yang tinggi aliran
Bisa diambil kesimpulan mengenai ciri- ciri aliran laminar yaitu: fluida bergerak mengikuti garis lurus, kecepatan fluidanya rendah, viskositasnya tinggi dan lintasan gerak fluida teratur antara satu dengan yang lain.
Turbulen merupakan kecepatan aliran yang relatif besar akan menghasilakan aliran yang tidak laminar melainkan komplek, lintasan gerak partikel saling tidak teratur antara satu dengan yang lain. Sehingga didapatkan
Ciri dari lairan turbulen: tidak adanya keteraturan dalam lintasan fluidanya, aliran banyak bercampur, kecepatan fluida tinggi, panjang skala aliran besar dan viskositasnya rendah. Karakteristik aliran turbulen ditunjukkan oleh terbentuknya pusaran-pusaran dalam aliran, yang menghasilkan percampuran terus menerus antara partikel partikel cairan di seluruh penampang aliran. Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold (Reynolds Number). Angka ini dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
Re = (4 v R)/ϑ Dimana:
Re = Angka Reynold (tanpa satuan) V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s) R = Jari-jari hydraulik (ft atau m)
ϑ = Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat-sifat cairan (ft2/s atau m2/s) Angka Reynolds adalah perbandingan gaya inersia fluida dan viscositasnya, dan menghadirkan perbandingan antara suatu gaya pemercepat dan lambat. Tuan Osborne Reynolds, suatu Ahli ilmu fisika Inggris, 1883 memberikan hubungan antara inersia dan viscosity dan memberikan persamaan tanpa dimensi ini. Karena geometri aliran yang diberikan adalah suatu Angka Reynolds, pastinya lebih dari 2000, menunjukkan bahwa arus itu adalah turbulen dan inersia tersebut melebihi gaya viscositasnya. Jadi semakin besar Reynold number, sedikit pengaruh dynamic viscosity dalam pola aliran. Sebaliknya, jika R kecil, kurang dari 500, viscosity dominan dan arus tersebut laminar. Pada setiap boundary, cairan, dan temperatur akan ada suatu zona yang menyatakan keadaan transisi aliran, antara turbulen dan laminar. Zona transisi itu juga bergantung pada geometri aliran juga bentuk permukaan dalam hal ini kekasaran permukaan boundary tersebut.
Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angka Reynold kurang daripada 2000, aliran biasanya merupakan aliran laminer. Apabila angka Reynold lebih besar daripada 4000, aliran biasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000
dan 4000 aliran dapat laminer atau turbulen (transisi) tergantung pada faktor-faktor lain yang mempengaruhi.
Kiat cepat untuk dapat mengetahu aliran ini turbulence atau laminar sangat mudah yaitu lihat fluida apa yang mengalir dan cari viskositasnya. Jika viskositas nya sangat kecil maka kemungkinan besar aliran ini merupakan aliran turbulence. Contoh saja Udara sudah dipastikan turbulence karena memiliki viskositas lebih kecil dari 10e-5 sehingga nilai Reynolds numbernya sudah pasti jauh diatas 4000.
Froud number
Bilangan tanpa dimensi yang lainnya adalah Froud number, F, Perbandingan antara gaya inersia dan gaya gravitasi. Froude number didefinisikan sebagai
F = U √hg
Di mana U adalah kecepatan, h adalah kedalaman, dan g adalah kecepatan gravitasi. Karena froud number adalah perbandingan inersia dan kekuatan gaya berat, Froude number, digunakan dalam permasalahan aliran fluida ketika arus mempunyai suatu tidak terkurung atau muka-bebas seperti di suatu arus atau di muara pasang surut. Konsep free surface current telah diperluas dalam aplikasinya untuk submarine turbidity current, yang memiliki permukaan “bebas” dianggap memiliki interferensi antara arus turbit yang lebih pekat bagian bawah dan air bersih di atasnya. Dalam free surface flow gravitasi memiliki peranan penting tidak seperti, dalam pipa tertutup dimana tekanan adalah faktor dominan. Froude number juga membedakan dua tipe aliran, shooting atau super critikal (F>1) dan tranquil, kadang disebut streaming, atau subkritikal (F<1). Transisi antara keduanya disebut critical flow (F=1). Dalam shooting flow suatu gelombang permukaan akan dibawa kehilir oleh arus tersebut sedangkan dalam tranquil akan bergerak kemuara melawan arus. Shooting flow akan bergerak cepat, constriction, banjir, dan dimana breaker (hempasan gelombang) memunculkan suatu pantai. Kedua tipe tersebut baik tranquil atau shooting menjalankan peran yang penting dalam melipat mikro relief, bentuk-bentuk lapisan juga menimbulkan beberapa
struktur sedimen pada bagian dasar. Kedua aliran akan sama jika Reynold dan Freud number sama. Kesamaan dinamis adalah konsep penting dalam studi model, oleh karenanya dibolehkan menurunkan skalanya sehingga system tersebut dapat dipelajari dalam laboratorium.
Jika kita melihat suatu aliran fluida seperti sungai, parit, laut, air terjun dan lain-lain , maka ada alirannya yang teratur dan ada juga yang tidak teratur. Nah untuk membedakannya, kita bisa menggunakan istilah aliran laminar dan aliran turbulen. Secara umum aliran laminar merupakan aliran fluida yang teratur, tenang , lurus, dan kalau dibuku dibilang adanya lapisan-lapisan yang teratur. Sedangkan aliran turbulen merupakan aliran-aliran yang tidak teratur, tidak tenang, partikel-partikel airnya saling acak, arahnya belok-belok tidak beraturan dan pokoknya tidak teraturlah. Untuk lebih memudakan dalam membedakan aliran tersebut maka saya sajikan dalam bentuk tabel sebagai berikut :
Walaupun kita dapat menentukan alirannya turbulen atau laminar dengan menggunakan kasat mata, tetap saja kita harus mensajikannya dalam bentuk angka. Sehingga kita dapat mengetahui batasan suatu aliran tersebut laminar atau turbulen. Angka yang dimaksud disini adalah angka Reynolds. Angka Reynolds akan membantu kita untuk mengetahui apakah aliran yang terjadi laminar atau turbulen.
Yang menemukan Angka Reynolds sendiri adalah Osborne Reynolds dengan melakukan percobaan menggunakan beberapa pipa kaca dengan diameter berbeda-beda. Selanjutnya beliau mengalirkan fluida (air) dalam pipa kaca tersebut. Pipa kaca disambungkan dengan pipa kapiler yang didalamnya terdapat tinta berwarna. Denga mengatur kecepatan fluida beliau dapat melihat aliran fluida tersebut kapan laminar dan kapan turbulen. Reynolds mengambil kesimpulan bahwa 3 faktor yang mempengaruhi keadaan aliran yaitu kekentalan fluida/viskositas (miu) , massa jenis fluida (rho) , dan diameter pipa (D). Dengan menganalisis dimensi didapatkan mempunyai dimensi yang sama dengan
kecepatan (v) . Dan terbitlah angka Reynolds dengan membandingkan antara
kecepatan rata-rata aliran fluida (v) dengan :
Setelah saya membaca buku Hidraulika II bab” Model dan Analisa Dimensi”, saya baru mengetahui bahwa Angka Reynolds sendiri merupakan perbandingan antara Gaya Inersia dan Gaya Kekentalan. Setelah melakukan beberapa eksperimen, Reynolds mengambil kesimpulan dimana jika angka Reynolds berkisar antara 0 < Re < 2100 maka aliran tersebut dikatakan aliran laminar, dan jika angka Reynoldsnya lebih besar dari 4000 ,Re>4000, maka aliran tersebut dikatakan aliran turbulen. Sedangkan 2100<Re<4000 disebut aliran transisi, agak sedikit tidak beraturan.
Rupanya angka-angka yang diatas tersebut hanya berlaku untuk fluida yang mengalir didalam pipa lingkaran. Saya juga baru mengetahuinya ketika Pak Indra (Dosen Mekflu UI) mengatakan dikelas minggu kemarin (16 mei 2012), dan katanya kalau dilaut jika alirannya turbulen maka didapatkan angka Reynoldsnya melebihi 10^6 , Re>10^6
Dengan begitu patokan angka 2100 dan 4000 hanya berlaku pada pipa lingkaran saja. Kalau alirannya ditempat lain maka kita harus menganalisis kembali angka Reynoldsnya.
Aplikasi dari aliran laminar adalah saat pengecoran (Casting). Misalnya mau ngecor semen, kita jangan terlalu terburu-buru atau cepat-cepat karena nanti alirannya akan sangat turbulen. Dalam pengecoran jika turbulen terjadi maka akan sangat dirugikan, yaitu terdapat ruang (udara atau gas) kosong didalam cetakannya yang akan memperpendek umur hasil pengecoran. Kalau aliran turbulen seperti pada piston, dimana partikel didalamnya akan tidak beraturan (saling bertumbukan) sehingga menghasilkan energi yang cukup untuk ditransmisikan untuk menggerakkan mesin.
vs - kecepatan fluida,
L - panjang karakteristik,
μ - viskositas absolut fluida dinamis, ν - viskositas kinematik fluida: ν = μ / ρ, ρ - kerapatan (densitas) fluid
http://bahtiargumilar.wordpress.com/2011/03/05/laminer-dan-turbulen/
