Tugas Kelompok Tugas Kelompok Sistem Instrumentasi Sistem Instrumentasi
PENGUKURA
PENGUKURAN
N ALIRAN
ALIRAN
KELOMPOK I KELOMPOK I
HILDA
HILDA RAHMAWATI RAHMAWATI H211 H211 16 16 016016 CAHAYA
CAHAYA MAGHFIRA MAGHFIRA H211 16 H211 16 306306 NURAFNI JULIANTI
NURAFNI JULIANTI H211 16 502H211 16 502 KEVIN
KEVIN ADRIANSYAH ADRIANSYAH SELON SELON H211 H211 16 16 510510
JURUSAN FISIKA PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS HASANUDDIN UNIVERSITAS HASANUDDIN
2017 2017
KATA PENGANTAR KATA PENGANTAR
Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena dengan Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena dengan rahmat, karunia, serta taufik dan hidayah-Nya kami dapat menyelesaikan makalah rahmat, karunia, serta taufik dan hidayah-Nya kami dapat menyelesaikan makalah tentang Pengukuran Aliran ini dengan baik meskipun banyak kekurangan tentang Pengukuran Aliran ini dengan baik meskipun banyak kekurangan didalamnya. Dan
didalamnya. Dan juga kami juga kami berterima kasberterima kasih pada Iih pada Ibu bu selaku dosen matselaku dosen mata kuliaha kuliah Sistem Instrumentasi yang telah memberikan tugas ini kepada kami.
Sistem Instrumentasi yang telah memberikan tugas ini kepada kami.
Kami sangat berharap makalah ini dapat berguna dalam rangka menambah Kami sangat berharap makalah ini dapat berguna dalam rangka menambah wawasan serta pengetahuan kita mengenai alat-alat ukur. Kami juga menyadari wawasan serta pengetahuan kita mengenai alat-alat ukur. Kami juga menyadari sepenuhnya bahwa di dalam makalah ini terdapat kekurangan dan jauh dari kata sepenuhnya bahwa di dalam makalah ini terdapat kekurangan dan jauh dari kata sempurna. Oleh sebab itu, kami berharap adanya kritik, saran dan usulan demi sempurna. Oleh sebab itu, kami berharap adanya kritik, saran dan usulan demi perbaikan mak
perbaikan makalah alah yang yang telah ktelah kami buat ami buat di masa di masa yang akan yang akan datang, datang, mengingat mengingat tidaktidak ada sesuatu yang sempurna tanpa saran yang membangun.
ada sesuatu yang sempurna tanpa saran yang membangun.
Semoga makalah sederhana ini dapat dipahami bagi siapapun yang Semoga makalah sederhana ini dapat dipahami bagi siapapun yang membacanya. Sekiranya makalah yang telah disusun ini dapat berguna bagi kami membacanya. Sekiranya makalah yang telah disusun ini dapat berguna bagi kami sendiri maupun orang yang membacanya. Sebelumnya kami mohon maaf apabila sendiri maupun orang yang membacanya. Sebelumnya kami mohon maaf apabila terdapat kesalahan kata-kata yang kurang berkenan dan kami memohon kritik dan terdapat kesalahan kata-kata yang kurang berkenan dan kami memohon kritik dan saran yang membangun dari Anda demi perbaikan makalah ini di waktu yang akan saran yang membangun dari Anda demi perbaikan makalah ini di waktu yang akan datang. datang. Makassar, 01 Oktober 2017 Makassar, 01 Oktober 2017 Penyusun Penyusun
KATA PENGANTAR KATA PENGANTAR
Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena dengan Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena dengan rahmat, karunia, serta taufik dan hidayah-Nya kami dapat menyelesaikan makalah rahmat, karunia, serta taufik dan hidayah-Nya kami dapat menyelesaikan makalah tentang Pengukuran Aliran ini dengan baik meskipun banyak kekurangan tentang Pengukuran Aliran ini dengan baik meskipun banyak kekurangan didalamnya. Dan
didalamnya. Dan juga kami juga kami berterima kasberterima kasih pada Iih pada Ibu bu selaku dosen matselaku dosen mata kuliaha kuliah Sistem Instrumentasi yang telah memberikan tugas ini kepada kami.
Sistem Instrumentasi yang telah memberikan tugas ini kepada kami.
Kami sangat berharap makalah ini dapat berguna dalam rangka menambah Kami sangat berharap makalah ini dapat berguna dalam rangka menambah wawasan serta pengetahuan kita mengenai alat-alat ukur. Kami juga menyadari wawasan serta pengetahuan kita mengenai alat-alat ukur. Kami juga menyadari sepenuhnya bahwa di dalam makalah ini terdapat kekurangan dan jauh dari kata sepenuhnya bahwa di dalam makalah ini terdapat kekurangan dan jauh dari kata sempurna. Oleh sebab itu, kami berharap adanya kritik, saran dan usulan demi sempurna. Oleh sebab itu, kami berharap adanya kritik, saran dan usulan demi perbaikan mak
perbaikan makalah alah yang yang telah ktelah kami buat ami buat di masa di masa yang akan yang akan datang, datang, mengingat mengingat tidaktidak ada sesuatu yang sempurna tanpa saran yang membangun.
ada sesuatu yang sempurna tanpa saran yang membangun.
Semoga makalah sederhana ini dapat dipahami bagi siapapun yang Semoga makalah sederhana ini dapat dipahami bagi siapapun yang membacanya. Sekiranya makalah yang telah disusun ini dapat berguna bagi kami membacanya. Sekiranya makalah yang telah disusun ini dapat berguna bagi kami sendiri maupun orang yang membacanya. Sebelumnya kami mohon maaf apabila sendiri maupun orang yang membacanya. Sebelumnya kami mohon maaf apabila terdapat kesalahan kata-kata yang kurang berkenan dan kami memohon kritik dan terdapat kesalahan kata-kata yang kurang berkenan dan kami memohon kritik dan saran yang membangun dari Anda demi perbaikan makalah ini di waktu yang akan saran yang membangun dari Anda demi perbaikan makalah ini di waktu yang akan datang. datang. Makassar, 01 Oktober 2017 Makassar, 01 Oktober 2017 Penyusun Penyusun
DAFTAR ISI DAFTAR ISI
Kata Pengantar
Kata Pengantar ... ii ... ii Daftar Isi
Daftar Isi ... ... ... iii... iii BAB I Pendahuluan
BAB I Pendahuluan A.
A. Latar Belakang ... 1Latar Belakang ... 1 B.
B. Rumusan Masalah ... 2Rumusan Masalah ... 2 C.
C. Tujuan Penulisan Tujuan Penulisan ... ... 2... 2 BAB II Pembahasan
BAB II Pembahasan 1.
1. Metode Anjakan Positif... 5Metode Anjakan Positif... 5 2.
2. Metode rintangan Aliran ... 7Metode rintangan Aliran ... 7 3.
3. Tinjauan Praktis Tentang Meter Rintangan ... 12Tinjauan Praktis Tentang Meter Rintangan ... 12 4.
4. Nosel sonik Nosel sonik ... ... 18... 18 5.
5. Pengukuran Aliran Pengukuran Aliran Dengan Efek Seret Dengan Efek Seret ... ... ... 2121 6.
6. Anemometer kawat panas Anemometer kawat panas dan Anemometer film panas dan Anemometer film panas ... 26... 26 7.
7. Meter Aliran MaMeter Aliran Magnetik gnetik ... ... 27... 27 8. 8. Visualisasi-Aliran ... 28Visualisasi-Aliran ... 28 9. 9. Shadowgraph Shadowgraph ... 30... 30 10. 10. Schlieren Schlieren ... ... 3232 11. 11. Interferometer Interferometer ... ... 3434 12.
12. The Laser Doppler The Laser Doppler Anemometer (LDA) Anemometer (LDA) ... ... 36... 36 13.
13. Metode Asap ... 38Metode Asap ... 38 14.
14. Kuar Tekanan ... 40Kuar Tekanan ... 40 15.
15. Tekanan Dampak Tekanan Dampak pada Aliran pada Aliran Supersonik Supersonik ... 41... 41 BAB III Penutup
BAB III Penutup A. A. Kesimpulan ... 42Kesimpulan ... 42 B. B. Saran Saran ... ... 42... 42 DAFTAR PUSTAKA DAFTAR PUSTAKA
BAB I BAB I
PENDAHULUAN PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang I.1 Latar Belakang
Pengukuran laju alir cairan dan gas merupakan salah satu jenis pengukuran Pengukuran laju alir cairan dan gas merupakan salah satu jenis pengukuran variabel proses. Pengukuran laju alir cairan dan gas merupakan variabel penting di variabel proses. Pengukuran laju alir cairan dan gas merupakan variabel penting di dalam proses industri. Pengukuran laju alir diperlukan untuk menentukan proporsi dalam proses industri. Pengukuran laju alir diperlukan untuk menentukan proporsi dan jumlah bahan yang mengalir masuk dan keluar proses. Dengan kata lain, dan jumlah bahan yang mengalir masuk dan keluar proses. Dengan kata lain, pengukuran
pengukuran laju laju alir alir menunjukan menunjukan berapa berapa banyak banyak fluida fluida yang yang digunakan digunakan atauatau didistribusikan ke dalam proses.
didistribusikan ke dalam proses.
Dalam kehidupan sehari-hari selain aliran satu fase , kita juga temukan aliran Dalam kehidupan sehari-hari selain aliran satu fase , kita juga temukan aliran multiphase dimana salah satunya adalah aliran dua fase. Aliran dua fase merupakan multiphase dimana salah satunya adalah aliran dua fase. Aliran dua fase merupakan bagian
bagian dari dari aliran aliran multiphase. multiphase. Aliran Aliran dua dua fase fase banyak banyak dijumpai dijumpai baik baik dalamdalam kehidupan sehari-hari maupun dalam proses-proses industri, seperti pada ketel uap, kehidupan sehari-hari maupun dalam proses-proses industri, seperti pada ketel uap, kondensor, alat penukar panas, reaktor nuklir, pencairan gas alam, pipa penyaluran kondensor, alat penukar panas, reaktor nuklir, pencairan gas alam, pipa penyaluran minyak dan lain-lain. Aliran dua fase yang merupakan bagian dari aliran multiphase minyak dan lain-lain. Aliran dua fase yang merupakan bagian dari aliran multiphase sangat berbeda dengan aliran satu fase. Pada aliran satu fase, pressure drop sangat berbeda dengan aliran satu fase. Pada aliran satu fase, pressure drop dipengaruhi oleh Reynolds number yang merupakan fungsi dari viskositas, berat jenis dipengaruhi oleh Reynolds number yang merupakan fungsi dari viskositas, berat jenis fluida dan diameter pipa.
fluida dan diameter pipa.
Saat ini, efisiensi dan biaya dari suatu proses dibantu dengan berbagai variabel Saat ini, efisiensi dan biaya dari suatu proses dibantu dengan berbagai variabel pengendali
pengendali yang salah yang salah satunya satunya adalah vadalah variabel laju ariabel laju alir. alir. Biaya merupakan Biaya merupakan salah satusalah satu faktor
faktor yang mempengaruhi pemilihan yang mempengaruhi pemilihan instrumentasi yang instrumentasi yang tepat dalam suatutepat dalam suatu penerapan misalnya di industri.
penerapan misalnya di industri.
Ketepatan dan ketelitian yang baik pada proses akan berpengaruh pada efisiensi Ketepatan dan ketelitian yang baik pada proses akan berpengaruh pada efisiensi operasi. Semakin tinggi efisiensi maka laba yang didapatkan akan semakin besar. operasi. Semakin tinggi efisiensi maka laba yang didapatkan akan semakin besar. Pengukuran laju alir yang tidak akurat akan menyebabkan kesalahan yang fatal dalam Pengukuran laju alir yang tidak akurat akan menyebabkan kesalahan yang fatal dalam proses di industri.
proses di industri.
Pengukuran laju alir ditentukan dengan mengukur kecepatan cairan atau Pengukuran laju alir ditentukan dengan mengukur kecepatan cairan atau perubahan
melintasi pipa mempengaruhi kecepatan suatu aliran. Karena luas penampang pipa sudah diketahui, kecepatan rata-rata merupakan indikasi dari laju alirnya.
Faktor-faktor yang mempengaruhi laju alir selain tekanan adalah viskositas, densitas, dan gaya gesek cairan terhadap dinding dalam pipa. Banyak metoda yang sudah dikenal untuk pengukuran laju alir cairan dan atau gas. Alat yang dapat digunakan disesuaikan dengan sifat fluida tertentu, seperti : bersih, jernih, kotor, basah, kering, erosif, korosif, uap, sluri, multi pase, kental, dan lain-lain. Selain itu
dikaitkan dengan sifat aliran seperti turbulensi dan laminar
II.2 Rumusan Masalah
16. Apa yang dimaksud dengan Metode Anjakan Positif 17. Apa yang dimaksud dengan Metode rintangan Aliran
18. Bagaimana cara kerja Tinjauan Praktis Tentang Meter Rintangan 19. Apa yang dimaksud dengan Nosel sonik
20. Bagaiamana cara kerja Pengukuran Aliran Dengan Efek Seret
21. Apa yang dimaksud dengan Anemometer kawat panas dan Anemometer film panas
22. Apa yang dimaksud dengan Meter Aliran Magnetik 23. Apa saja Metode-metode Visualisasi-Aliran
24. Apa yang dimaksud dengan Shadowgraph 25. Apa yang dimaksud dengan Schlieren 26. Apa yang dimaksud dengan Interferometer
27. Apa yang dimaksud dengan The Laser Doppler Anemometer (LDA) 28. Bagaimana cara kerja Metode Asap
29. Apa yang dimaksud dengan Kuar Tekanan
30. Bagaiaman Tekanan Dampak pada Aliran Supersonik
II.3 Tujuan Penullisan
2. Mengetahui apa itu Metode rintangan Aliran
3. Mengetahui cara kerja Tinjauan Praktis Tentang Meter Rintangan 4. Mengetahui apa itu Nosel sonik
5. Mengetahui cara kerja Pengukuran Aliran Dengan Efek Seret
6. Mengetahui apa itu Anemometer kawat panas dan Anemometer film panas 7. Mengetahui apa itu Meter Aliran Magnetik
8. Mengetahui apa saja Metode-metode Visualisasi-Aliran 9. Mengetahui apa itu Shadowgraph
10. Mengetahui apa itu Schlieren 11. Mengetahui apa itu Interferometer
12. Mengetahui apa itu The Laser Doppler Anemometer (LDA) 13. Mengetahui cara kerja Metode Asap
14. Mengetahui apa itu Kuar Tekanan
BAB II PEMBAHASAN
II.1 Pendahuluan
Pengukuran aliran merupakan fluida sangat penting dalam berbagai ragam penerapan, mulai dari pengukuran laju aliran-aliran di dalam pembuluh darah
manusia sampai kepada pengukuran aliran oksigen cair di dalam roket. Banyak proyek penelitian dan proses industri yang bergantung pada pengukuran aliran fluida untuk mendapatkan data-data penting untuk analisa. Dalam hal-hal lain mungkin pengukuran kasar juga sudah memadai. Pemilihan instrumen yang tepat untuk sesuatu penerapan tertentu bergantung pada berbagai variabel termasuk di antaranya biaya. Pada berbagai biaya industri ketelitian pengukuran fluida berhubungan langsung dengan laba usaha. Contohnya yang sederhana ialah pompa bensin yang kita kunjungi sehari-hari, atau meter air di rumah. Tidakkah sulit memahami betapa suatu kesalahan kecil dalama pegukuran aliran pada pipa minyak atau pipa gas ukuran besar dapat berarti perubahan ribuan dolar dalam suatu waktu tertentu.Demikianlah, bukan hanya para ahli di laboratorium saja yang berkepentingan dengan pengukuran aliran yang teliti, para insinyur di industri pun sangat berminat dengan hal itu, disebabkan besarnya dampak pengukuran aliran terhadap laba rugi perusahaan.
Laju aliran dapat dinyatakan baik dalam satuan volume ataupun dalam satuan massa. Beberapa istilah yang lazim digunakan ialah
galon per menit (gpm)
= 231 inci kubik per menit (in3/min)
= 63,09 sentimeter kubik per sekon (cm3/s) liter
= 0,26417 galon = 1000 sentimeter kubik
1 kaki kubik (cubic foot ) per menit (cfm, atau ft3/min)
1 kaki kubik standar per menit udara pada 20oC, 1 atm = 0,07513 pon massa per menit
= 0,54579 gram per sekon
II.2 Metode Anjakan Positif
Laju aliran zat cair yang tak mudah menguap, seperti air umpanya, dapat diukur dengan teknik penimbangan langsung, dimana bobot zat cair yang dikumpulkan diukur dengan teliti. Laju aliran rerata (average) lalu dapat dihitung dengan mudah. Ketelitian itu dapat ditingkatkan lagi dengan menggunakan interval waktu yang lebih lama atau lebih teliti, ataupun dengan penimbangan yang lebih tepat. Teknik penimbangan langsung biasa digunakan untuk kalibrasi meter aliran air atau zat cair lain, oleh karena itu dapat dianggap suatu teknik kalibrasi yang standar. Metode ini tentu tidak cocok untuk pengukuran aliran transien.
Meter aliran anjakan positif ( positive displacement flowmeter ) pada umumnya dipakai dalam penerapan yang memerlukan ketelitian tinggi pada kondisi aliran stedi (tunak). Contoh peranti anjakan positif ini ialah meter air rumah tangga, yang skemanya terlihat pada gambar 2.1. Meter ini bekerja dengan prinsip piring angguk (nutating disk ).Air masuk pada bagian kiri meter itu dan menekan piring yang terpasang secara eksentrik. Agar zat cair dapat mengalir meter itu, piring itu harus mengangguk-angguk
di seputar sumbu vertikel karena bagian atas dan bagian bawah piring selalu dalam kontak dengan ruang oiring itu terpasang. Ruang masuk dan keluar piring itu terpisah oleh satu dinding sekat. Volume zat cair yang mengalir melalai meter itu terlihat dari jumlah anjukan piring. Penunjukan aliran volumetric diberikan melalui suatu susunan
roda gigi dan pencatat yang dihubungkan dengan piring angguk.Meter piring angguk dapat digunakan untuk pengukuran aliran dengan ketelitian 1 persen.
Suatu peranti anjakan positif lainnya ialah meter sudut putar (rotary vane meter ) seperti pada gambar 2.2. Sudut-sudutnya berpegas sehingga selalu berada dalam kontak dengan selongsong meter itu. Pada waktu tromol eksentrik itu berputar,
Gambar II.2 Skema meter aliran sudut putar.
di dalam tromol itu terkurang suatu kuantitas tertentu fluida yang akhirnya akan mengalir ke luar. Poros termol eksentrik itu dihubungkan dengan suatu alat yang mencatat volume zat cair yang pindah. Ketakpastian meter sudu putar ialah kira-kira 0,5 persen, dan meter itu relat tidak perka terhadap viskositas karena sudu itu selalu berada dalam kontak yang rapat dengan selongsongnya.
Meter impeler daun(lobed impeller meter ) seperti terlihat pada gambar 2.3 dapat digunakan untuk pengukuran aliran gas maupun zat cair. Impeler (kipas) dan selongsongnya dikerjakan dengan mesin sehingga sangat pas satu sama lain. Dengan demikian fluida yang masuk selalu terperangkap di antara kedua rotor dan terangkut keluar oleh putarannya.Jumlah putaran kotor memberi petunjuk tentang laju aliran volumetrik.
II.3 Metode Rintangan Aliran
Beberapa jenis meter aliran termasuk dalam kategori peranti rintangan atau obstruksi (obstruction device). Peranti demikian sering disebut meter tinggi tekan (head meter ) karena di sini sebagai petunjuk tentang laju aliran digunakan pengukuran kehilangan tinggi (head loss) atau penurunan tekanan ( pressure drop). Sekarang baiklah kita tinjau beberapa persamaan umum mengenai meter rintangan. Kemudian akan kita periksa penerapan hubungan-hubungan itu terhadap peranti- peranti tertentu.
Perhatikan system aliran satu dimensi 2.4. Hubungan kontinuitas untuk situasi ini ialah
(2.1) di mana u ialah kecepatan. Jika aliran itu adiabatic dan tanpa gesek ( frictionless) dari fluida itu tak mampu mapat (incompressible), maka persamaan Bernoulli yang kita kenal dapat kita tuliskan
di mana sekarang p1 = p2 bila persamaan 2.1 dan 2.2 diselesaikan secara serentak kita
dapatkan sebagai perunan tekanan
(2.3) dan laju aliran volumetrik dapat kita tuliskan
(2.4) di mana :
jadi, kita lihat bahwa saluran seperti gambar 2.4 dapat kita gunakan untuk pengukuran aliran, di mana kita hanya perlu mengukur penurunan tekanan (p1-p2) dan
lalu menghitung aliran dari persamaan 2.4. Namun tidak ada saluran demikian yang tanpa gesek sama sekali, dan selalu saja ada kehilangan tekanan dalam aliran itu. Laju aliran volumetrik yang dihitung dari persamaan 2.4 ialah nilai ideal, dan biasanya berhubungan dengan laju aliran nyata dan suatu koefisien buang (discharge
coefficient ) C oleh hubungan berikut
Koefisien buang itu tidak konstan dan mungkin sangat bergantung pada angka Reynolds dan geometri saluran. Bila kita perhatikan system aliran gas ideal, maka berlaku persamaan keadaan
(2.5) di mana T adalah suhu absulut dan R konstanta gas untuk gas yang bersangkutan. Yang dapat dinayatakan dalam konstanta gas universal R dan bobot moleku :
(2.6) Nilai R ialah 8314 J/kg.mol.K atau 1545 ft.Ibf/Ibm.mol.oR. Untuk aliran adiabitik
mampu balik (reversible adiabatic flow) persamaan energi aliran stedi untuk gas ideal ialah
(2.7) di mana c pialah kalor spesifik pada tekanan tetap dan diandaikan konstan untuk gas
ideal. Bila persamaan 2.1, 2.2, dan 2.7 kita gabungkan, kita dapatkan
(2.8) di mana kecepatan masuk, yaitu kecepatan pada bagian 1 diandalkan sangat kecil. Hubungan ini dapat disederhanakan menjadi
(2.9) dengan Δp = p1-p2dan γ = c p/cuialah rasio kalor spesifik gas itu. Persamaan 2.9
berlaku untuk Δ p< p1/4. Bila Δp< p1/10, persamaan itu dapat kita sederhanakan lagi
menjadi
(2.10) di mana m = laju aliran, Ibm/s atau kg/s
A = luas, ft2 atau m2
gc = 32,17 Ibm.ft/Ibf.s2 atau 1,0 kg.m/N.s2
p = tekanan, Ibf/ft2 atau N/m2
T = suhu absolut,oR atau K
Perhatikan bahwa persamaan 2.10 dapat disederhanakan menjadi persamaan 2.4 bila kita sulihkan persamaan 2.6. Jadi, kita nilai Δp kecil dibandingkan dengan p1, aliran
fluida mampu mampat dapat didekati sebagai aliran fluida tak mampu mampat.
Pada gambar 2.5 terlihat tiga macam meter rintangan. Jenis venture mempunyai keunggulan dalam ketelitiannya yang tinggi dan penurunan tekanannya yang kecil, akantetapi dari segia biaya orofis (orifice) jauh lebih murah. Baik nosel aliran ( flow nossle) maupun orifis mempunyai penurunan tekanan permanen yang relative tinggi. Perhitungannya laju aliran untuk ketiga jenis peranti dapat dilakukan atas dasar persamaan 2.4 dengan menggunakan konstanta empiric yang didefinisikan sebagai berikut :
M = faktor kecepatan masuk =
1
√ 1−(
2
/
)
2
(2.11)K = koefisien aliran = CM (2.12)
= rasio diameter =
=
2
(2.13)Bila kita melakukan pengukuran aliran fluida mampu mampat, diperlukan suatu parameter lagi, yaitu factor muai (expansion factor ) Y. untuk venturi dan nosel
(nozzle) factor ini diberikan oleh
(2.14) Sedang untuk orifis hubungan empiric untuk Y diberikan oleh
(2.15) Bila menggunakan pengambilan tekanan dari flens ( flange tap) atau dari vena kontrak (vena contracta tap). Untuk orifis dengan pengambilan tekanan dari pipa ( pipe tap) berlaku hubungan dibawah ini
(2.16) Faktor ekspansi empirik yang diberikan oleh persamaan 2.15 dan 2.17 mempunyai ketelitian ± 0,5%, untuk 0,8 <p2/p1< 1,0. Grafik faktor ekspansi Ya dan Y1diberikan
masing-masing dalam gambar 2.14 dan 2.15.
Dengan demikian kita mempunyai persamaan semi empiric berikut, yang konvensional berlaku untuk venture, nosel atau orifis:
VENTURI, ALIRAN TAK MAMPU MAMPAT :
(2.17) NOSEL, DAN ORIFIS, ALIRAN TAK MAMPU MAMPAT :
(2.18) Penggunaan koefisien aliran sebagai pengganti hasil perkalian CM hanyalah merupakan masalah konvensi saja. Bila kita menggunakan fluida mampu mampat,
persamaan diatas dimodifikasi dengan faktor Y dan densitas fluida dievaluasi pada kondisi masuk. Jadi, kita mempunyai :
VENTUR, ALIRAN MAMPU MAMPAT :
(2.19) NOSEL DAN VENTURI, ALIRAN MAMPU MAMPAT :
(2.20) Dalam persamaan 2.17 sampai 2.20, satuan-satuannya adalah :
Pendaftaran secara terperinci berbagai koefisien tersebut terdapat dalam rujukan [1].Sebagian diantaranya disajikan dalam gambar 2.9-2.15.Contoh 2.2 dan 2.3 memberikan gambaran tentang penggunaan grafik-grafik tersebut dalam perhitungan praktis.
II.4 Tinjauan Praktis Tentang Meter Rintangan
Konstruksi meter rintangan sudah dibakukan oleh American Society of Mechanic Engineers. Bagian-bagian tabung venture yang disarankan terlihata pada gambar 2.6. Perhatikan bahwa titik pengambilan tekanan dihubungkan dengan manipol atau bahulipat (manifold ) yang mengelilingi bagian hulu dan bagian leher (throat ) tabung manipol ini memiliki cuplikan tekanan dari sekeliling bagian itu sehingga didapatkan nilai rata-rata. Koefisien buang untuk tabung venturi demikian terlihat pada gambar 2.9, di mana limit toleransi digambarkan dengan garis titik-titik.Pada umumnya, koefisien buang itu lebih keci pada pipa yang ukuran diamternya kurang dari 2 in, di perangainya kira-kira seperti yang terlihat pada
gambar 2.10. Nilai-nilai koefisien buang yang lebih tepat untuk venture bisa didapatkan dengan jalan kalibrasi langsung: dalam hal ini ketelitian ± 0.5% dapat dengan mudah dicapai. Dimensi-dimensi yang disarankan untuk nosel aliran ASME terlihat pada gambar 2.7, dan koefisien buangnya pada gambar 2.11.
Cara pemasangan yang disarankan untuk orifis konsentrik pipa tipis terlihat pada gambar 2.8. Perhatikan bahwa ada tiga perangkat lokasi pengambilan tekanan
yang dapat digunakan :
1. Kedua titik pengambilan tekanan dipasang pada flens seperti pada gambar. 2. Titik pengambilan tekanan masuk terletak pada jarak satu diameter pipa di
sebelah hilir orifis, diukur dari muka hulu orifis.
3. Titik pengambilan tekanan masuk terletak satu diameter pipa disebelah hulu, dan titik pengambilan tekanan keluar terletak pada vena kontrakta orifis seperti terlihat pada gambar 2.12.
Pada gambar 2.13 diberikan nilai-nilai koefisien aliran orifis untuk pipa-pipa ukuran 1.1/4 in sampai 3 in dengan letak titik pengambilan tekanan sesuai dengan kasus 2 diatas.Koefisien aliran untuk kasus-kasus lain diberikan dalam rujuk an.
Gambar II.7 perbandingan ukuran yang disarankan untuk nosel-aliran jari-jari panjang ASME.
Gambar II.8 lokasi yang disarankan untuk pengambilan tekanan pada orifis konsentrik, plat tipis, pinggir siku.
Gambar II.9 koefisien buangan untuk tabung venturi
Grafik berbagai koefisien aliran itu digambarkan sebagai fungsi angka Reynolds, yang didefinisikan oleh
(2.21) di mana p = densitas fluida
µ = viskositas dinamik
um= kecepatan aliran purata (mean)
d = diameter pada tempat menentukan angka Reynolds itu
Gambar II.12 lokasi untuk pengambilan tekanan untuk orifis dengan titik pengambilan tekanan pada vena kontraka
Gambar II.13 koefisien bungan untuk orifis konsentriks dalam pipa. Titik pengambilan tekanan satu dimeter di sebelah hulu dan setengah diameter di sebelah hilir
Perhatikan bahwa beberapa grafik di atas, umpanya gambar 2.14, menggunakan angka Reynolds atas dasar kondisi hulu, sedang beberapa grafik lain umpanya gambar 2.11 mendasarkannya atas kondisi leher. Hasil perkalian pumdapat dihitung
dari aliran massa menurut
(2.22) II.5 Nosel Sonik
Semua meter penyumbatan yang dibahas di atas dapat digunakan dengan gas. Bila laju alir cukup tinggi, perbedaan tekanan menjadi cukup besar, dan akhirnya
sonik. Kondisi aliran dapat dicapai pada area aliran minimum. Dalam kondisi seperti ini aliran dikatakan "tercekik," dan laju alir mengambil nilai maksimum untuk diberikan kondisi inlet Untuk gas ideal dengan pemanasan konstan tertentu, dapat ditunjukkan bahwa rasio tekanan untuk kondisi tercekik ini, dengan asumsi aliran isentropik, adalah :
(2.23) Rasio ini disebut rasio tekanan kritis. Memasukkan rasio ini di Persamaan memberi untuk laju alir massa
(2.24) Persamaan (2.24) sering diterapkan pada nosel bila diketahui adanya tekananrasio p2 / p1 kurang dari nilai kritis yang diberikan oleh Persamaan. (2.23). Dalam kondisi seperti ini. Aliran ideal hanya bergantung pada kondisi stagnasi inlet p1 dan T1. IniKondisi biasanya mudah diukur sehingga sonik nosel menawarkan kenyamananmetode untuk mengukur laju alir gas. Perlu dicatat, bagaimanapun, bahwa tekanan besardrop harus ditoleransi dengan metode. Kondisi stagnasi hulu harus digunakanuntuk p1 dan T1 dalam perhitungannya.Aliran ideal sonik-nosel yang diberikan oleh Persamaan (2.23) harus dimodifikasi oleh koefisien debit yang sesuai yang merupakan fungsi dari geometri nosel dan faktor lainnya. Mungkin ada beberapa kondisi yang menyulitkan, tapi koefisien debitsekitar 0,97 biasanya diamati.
Sebuah survei komprehensif tentang nozel aliran kritisdisajikan oleh Arnberg, dan pembaca yang berminat harus berkonsultasi dengan diskusi iniuntuk informasi lebih lanjut..Perangkat penghalang aliran yang dibahas di atas memerlukan penggunaan tekanan dindingkeran. (Perangkat lain juga memerlukan penggunaan keran semacam itu.) Pengukuran dengan tekanan dindingkeran dapat dikenai beberapa faktor yang mempengaruhi, yang dibahas secara rincioleh Rayle. Secara umum, diameter tekan tekanan harus cukup kecil. Bandingkan dengan diameter pipa. Kami menggunakan
Pers. (2.24) untuk perhitungan ini dengan γ = 1,4 untuk udara. Yang tidak diketahui dalam persamaan ini adalah A2. Jadi, kita punya
Untuk perhitungan di atas kita telah mengambil tekanan dan suhu yang diberikan sebagai stagnasi properti. Suhu kemungkinan besar akan diukur dengan probe stagnasi sehingga100◦F mungkin adalah suhu stagnasi. Tekanan mungkin akan
diukur dengan Tekan statis di sisi pipa hulu dari nosel sehingga dilakukan pengukuran tekanan statis. Kemungkinan besar yang akan tersedia. Jika diameter pipa hulu cukup besar, Tekanan statis akan sangat hampir sama dengan tekanan stagnasi, dan kesalahan pada Perhitungan di atas akan kecil. Mari kita periksa situasi di atas, dengan asumsi bahwa 300 psia adalah pengukuran tekanan statis. Aliran massa hulu adalah
(a) dimana subskrip s menunjukkan properti statis. Kecepatan hulu dapat ditulis dalam istilah suhu stagnasi sebagai
(b) Menggabungkan Pers. (a) dan (b), kita miliki
Mengambil p1s = 300 psia dan T10 = 100◦F = 560◦R, kita bisa menyelesaikan Persamaan (c) untuk T1s. Hasilnya adalah
(d) atau kecepatan hulu sangat kecil dengan sifat stagnasinya hampir sama dengan sifat statis Hasil ini dapat diperiksa dengan menghitung kecepatan hulu dari Persamaan. (Sebuah) menggunakan hasil dari Pers. (d). kita mendapatkan
Perbedaan tekanan (p10- p1s) yang sesuai dengan kecepatan ini hanya 0,031 psia, sedangkan perbedaan suhu (T10- T1) adalah 0,017◦F. Kedua nilai ini adalah diabaikan. Perlu dicatat, bagaimanapun, bahwa jika diameter pipa hulu jauh Diameter 1.0 inci yang lebih kecil, mungkin perlu mengoreksi perbedaan antara diukur tekanan statis dan tekanan stagnasi yang harus digunakan dalam Persamaan (2.23).
II.6 Pengukuran Aliran Dengan Efek Seret
Rotameter adalah perangkat pengukuran arus yang sangat umum digunakan dan ditunjukkan secara skematis pada Gambar 2.15. Arus masuk ke bagian bawah tabung vertikal meruncing danmenyebabkan bob atau "float" bergerak ke atas. Bob akan naik ke titik di tabung seperti itu bahwa gaya tarik hanya diimbangi oleh gaya angkat dan daya apung. Posisinya Dari bob di dalam tabung maka diambil sebagai indikasi laju alir. Perangkatnya Kadang disebut meteran area karena elevasi bob tergantung pada daerah annular antara itu dan tabung kaca meruncing; Namun, meteran beroperasi prinsip fisik tarik sehingga kita memilih untuk mengklasifikasikannya dalam kategori
ini. Bergeraklah keseimbangan pada bob memberi
dimana ρf dan ρb adalah densitas cairan dan bob, Vb adalah total volume bob, g adalah percepatan gravitasi, dan Fd adalah gaya drag, yang diberikan oleh
D adalah diameter tabung di inlet, d adalah diameter bob maksimum, y adalah vertikal Jarak dari pintu masuk, dan a adalah konstanta yang menunjukkan tabung lancip. Koefisien drag tergantung pada bilangan Reynolds dan karenanya pada cairan viskositas; Namun, bobs khusus dapat digunakan yang memiliki hambatan konstan koefisien, dan dengan demikian menawarkan keuntungan bahwa pembacaan meter pada dasarnya bebas dari viskositas. Perlu dicatat bahwa untuk banyak meter praktis kuadrat relasi. menjadi hampir linier untuk dimensi sebenarnya dari tabung dan bob yang digunakan. Dengan asumsi hubungan linier seperti itu, persamaan untuk massa arus akan menjadi.
(2.26)
Turbin Meter
Jenis alat ukur arus yang populer adalah meteran turbin yang ditunjukkan pada Gambar II.16. Saat fluida bergerak melalui meter, ia menyebabkan putaran roda turbin kecil. Pada roda turbin bodi magnet permanen tertutup sehingga berputar dengan roda. Sebuah pickup keengganan yang menempel di bagian atas meter mendeteksi denyut nadi setiap revolusi roda turbin. Karena aliran volumetrik sebanding dengan
Vortex-Shedding Flowmeters
Flowmeters Vortex beroperasi berdasarkan prinsip yang diilustrasikan pada Gambar II.3 Saat menggertak ditempatkan dalam arus aliran, vortisitas ditumpahkan secara bergantian dari sisi belakang. Frekuensi penumpahan vortex berbanding lurus dengan kecepatan cairan. Sensor piezoelektrik yang dipasang di dalam vortex shedder mendeteksi vortisitas, dan sirkuit amplifikasi berikutnya dapat digunakan untuk menunjukkan baik sesaat laju alir atau aliran total selama interval waktu yang dipilih.
Meter sudah didalibrasi oleh produsen untuk ukuran pipa tertentu. Hal ini umumnya tidak cocok untuk digunakan dengan cairan yang sangat kental.Banyak persyaratan pemasangan khusus harus dipenuhi dan dijelaskan dalam literatur pabrikan; lihat,
misalnya.
Flowmeters ultrasonik
Efek Doppler adalah dasar untuk pengoperasian flowmeter ultrasonik. Sinyal frekuensi ultrasonik yang diketahui ditransmisikan melalui cairan.Padatan, gelembung, atau diskontinuitas dalam cairan akan memantulkan kembali sinyal kemenerima elemen Karena kecepatan cairannya, akan ada frekuensishift pada receiver yang proporsional dengan kecepatan. Akurasi sekitar ± 5 persenSkala penuh dapat dicapai dengan perangkat pada rentang aliran sekitar 10 sampai 1. Sebagian besarPerangkat mensyaratkan bahwa cairan tersebut mengandung paling sedikit 25 bagian per juta (ppm) partikelatau gelembung yang memiliki diameter 30 μm atau lebih. Aliran ultrasonik amicroprocessor berbasis telah dikembangkan yang mempekerjakansinyal Doppler tercermin dari pusaran turbulen dalam aliran . Hasil dari,Sangat cocok untuk operasi dengan cairan viskositas rendah bersih. Akurasi 2 persenSkala penuh dapat dicapai dan meteran dapat dipasang sesedikit tiga pipa
Diameter hilir dari siku 90bow. Harganya cukup tinggi.
Flowmeter laminar
Jadi, jika laminarflow bisa diyakinkan, flowrate menjadi fungsi langsung tekananperbedaan. Sebuah meter arus laminar dapat dibangun dari kumpulan tabung kecilelemen seperti ditunjukkan pada Gambar II.18 Jika tabungnya cukup kecil, aliran laminar bisa jaditerawat. Ada celah masuk dan keluar yang terjadi dengan tabung perakitan. IniKerugian tergantung pada konfigurasi geometrik khusus dari perakitan tabung, danpemasangan di pipa Produsen flowmeters laminar komersial menyediakaninformasi kalibrasi yang berlaku untuk unit mereka. Ketidakpastian ± 1/4 persen untukpenentuan laju alir dilaporkan dalam kondisi operasi yang hati-hati.Berbeda dengan orifice, flow nozzle, dan venturi, flowmeter laminar memiliki massaAliran langsung proporsional dengan? p dan bukan (? p) 1/2. Fakta ini memungkinkan operasi selesaikisaran laju alir yang lebih luas untuk alat pengukur tekanan diferensial tertentu. Karena ukurannya yang relatif kecil, elemen tabung laminar tunduk pada penyumbatanbila digunakan dengan cairan kotor. Kehilangan tekanan keseluruhan untuk perangkat tinggi, dariurutan 100 persen dari yang diukur.
II.7 Anenometer Kawat-Panas dan Anenometer Film-panas
Anemometer kawat panas adalah perangkat yang sering digunakan dalam aplikasi penelitian mempelajari kondisi arus yang bervariasi dengan cepat. Kabel kawat dipanaskan secara elektrik dan ditempatkan di dalamnya
aliran sungai, dan karya awal Raja. telah menunjukkan bahwa tingkat perpindahan panas. Dari kawat bisa dinyatakan dalam bentuk.
(2.27)
digunakan secara luas untuk pengukuran arus transien, terutama pengukuran fluktuasi turbulen Konstanta waktu dari urutan 1 ms dapat diperoleh dengan 0.0001-di-diameter platinum atau kawat tungsten beroperasi di udara. Bila kawat panas digunakan untuk pengukuran arus yang berubah dengan cepat Pola, akun penuh harus diambil dari respon transien baik thermal maupun karakteristik resistansi listrik dari kawat. Dua jenis kompensasi listrik digunakan dalam praktek: (1) pengaturan arus konstan, di mana resistansi besar dihubungkan secara seri dengan kawat panas dan rangkaian kompensasi termal diterapkan pada tegangan ac output, dan (2) pengaturan suhu konstan, di mana sirkuit kontrol umpan balik ditambahkan untuk memvariasikan arus sehingga suhu kawattetap hampir konstan Respon kawat tergantung pada sudut kecepatan alirmembuat dengan sumbu kawat, dan teknik telah dikembangkan untuk mengambil efek inike rekening [6 dan 44]. Rasio panjang-ke-diameter kawat (L / d) juga
memiliki berpengaruh signifikan terhadap kinerja pengukuran. L / d memiliki nilai sekitar 50 untukkabel panas khas.
II.8 Meter Aliran Magnetik
Perhatikan aliran fluida konduksi melalui medan magnet, seperti yang ditunjukkan pada Gambar II.21. Karena cairan mewakili konduktor yang bergerak di lapangan, akan terjadi induksi tegangan menurut
(2.28) dimana
B = kerapatan fluks magnetik, gauss u = kecepatan konduktor, cm / s L = panjang konduktor, cm
Panjang konduktor sebanding dengan diameter tabung, dan kecepatannya adalah sebanding dengan kecepatan alir rata-rata. Kedua elektroda mendeteksi tegangan induksi, yang dapat dianggap sebagai indikasi langsung kecepatan aliran. Dua jenis flowmeters magnetik digunakan secara komersial. Satu tipe memiliki liner pipa nonconducting dan digunakan untuk cairan dengan konduktivitas rendah, seperti
air. Elektroda dipasang sehingga dilipat dengan liner nonconducting dan Lakukan kontak dengan cairan. Medan magnet bolak-balik biasanya digunakan dengan ini meter karena outputnya rendah dan membutuhkan amplifikasi. Tipe kedua dari
magnet flowmeter adalah salah satu yang digunakan dengan cairan konduktivitas tinggi, terutama cair
2.9 Metode-metode Visualisasi-Aliran
Aliran Fluida adalah subjek yang rumit dengan banyak area yang belum menghasilkan teknik analisis yang tepat. Dengan demikian, masalah pengukuran arus tidak selalu sederhana dan tepat karena kurangnya hubungan analitis yang digunakan untuk perhitungan dan pengurangan data eksperimen. Interpretasi data yang melibatkan turbulensi atau pengukuran lapisan batas yang rumit, efek iskositas, dan gelombang bahan tidaklah mudah. Seringkali, aliran dapat diubah sebagai hasil dari probe yang dimasukkan untuk mengukur profil tekanan, kecepatan, dan suhu sehingga eksperimentalis tidak yakin tentang efek yang telah diukur. Visualisasi aliran dengan metode optik menawarkan keuntungan bahwa jika dijalankan dengan benar, tidak mengganggu aliran fluida, dan dengan demikian memberi alat tambahan eksperimental untuk digunakan bersamaan dengan alat ukur lainnya. Dalam beberapa kasus, teknik visualisasi aliran dapat digunakan untuk pengukuran parameter aliran penting yang tepat, sementara dalam kasus lain hanya dapat memberikan informasi
kualitatif mengenai perilaku arus secara keseluruhan.
Perhatikan medan aliran gas pada gambar II.23. Aliran berada dalam arah tegak lurus terhadap gambar, yaitu arah z. Sinar cahaya yang masuk dibelokkan melalui sudut sebagai hasil dari gradien densitas dalam aliran. Dapat ditunjukkan bahwa sudut defleksi untuk gradien densitas kecil diberikan seba gai:
(2.29) Dimana L ialah lebar meda aliran, ρ densitas fluida setempat, ρsdensitas rujukan yang
biasanya diambil pada kondisi standar, dan n adalah indeks refraksi yang untuk gas dinyatakan oleh:
(2.30)
Β ialah konstanta tak berdimensi yang mempunyai nilai kira-kira 0,000292 untuk udara n1 indeks refraksi diluar medan aliran dan dapat dianggap sangat mendekati
satu dalam persamaan 2.29.
Menurut Persamaan (2.29) defleksi sudut dari sinar cahaya sebanding dengan gradien densitas dalam aliran. Ini adalah efek optik dasar yang digunakan untuk pekerjaan visualisasi arus. Dapat dicatat bahwa defleksi sinar cahaya adalah ukuran dari gradien kerapatan rata-rata yang terintegrasi pada koordinat x. Jadi, efeknya terutama berguna untuk menunjukkan variasi kepadatan dalam dua dimensi (dalam hal ini dimensi y dan z) dan akan rata-rata variasi pada dimensi ketiga.
Gambar II.24 menunjukkan rangkaian tegangan-discharge yang digunakan dalam teknik ini. Tegangan input variabel dari 10 sampai 250 V disediakan dan diperbaiki di sirkuit dioda. Relay digunakan untuk mengisi dan melepaskan kapasitor secara berkala, dan resistor variabel disediakan di sirkuit pengisian untuk menyempurnakan sistem agar kinerjanya optimal untuk setiap kawat. diameter dan kondisi aliran. Dalam beberapa kasus, perlu menambahkan sejumlah kecil natrium sulfat ke air untuk mencapai konsentrasi elektrolit yang memuaskan.
2.10 Shadowgraph
Teknik bayangan adalah metode untuk melihat secara langsung fenomena aliran. Bayangkan bidang aliran seperti ditunjukkan pada Gambar II.24 dengan gradien kerapatan pada arah y. Sinar cahaya sejajar memasuki bagian uji seperti ditunjukkan. Di daerah di mana tidak ada kerapatan kerapatan, sinar cahaya akan melewati bagian uji tanpa defleksi. Untuk daerah dimana gradien ada, sinar akan dibelokkan. Efek bersihnya adalah sinar akan berkelompok bersamaan setelah meninggalkan bagian uji untuk membentuk titik terang dan bintik hitam. Penerangan akan bergantung pada defleksi relatif sinar cahaya dε/ dy, dan karenanya pada d2ρ / dy2. Penerangan pada layar yang ditempatkan di luar bagian uji bergantung pada turunan kedua dari kerapatan pada titik tertentu.
Shadowgraph adalah alat optik yang sangat sederhana, dan pengaruhnya dapat dilihat dalam beberapa fenomena sehari-hari hanya dengan menggunakan mata telanjang dan pencahayaan ruangan lokal. Lapisan batas konveksi bebas pada pelat panas listrik horisontal terlihat jelas bila dilihat dari tepi. Fenomena ini terlihat karena gradien kerapatan yang dihasilkan dari pemanasan udara di dekat permukaan yang panas. Hampir tidak ada gunanya mencoba untuk mengevaluasi kepadatan penduduk
setempat dengan menggunakan fotografi bayangan; Namun, shadowgraph berguna untuk melihat daerah aliran turbulen, dan metode ini dapat digunakan untuk menetapkan lokasi gelombang kejut dengan presisi tinggi. Gambar II.25 mengilustrasikan lapisan batas konveksi bebas pada silinder horizontal. Perkembangan dalam sistem pencitraan digital dimana iluminasi piksel individu dapat diakses dalam peluang pemberian gambar akhir.
Gambar II.25Peranti visualisasi Aliran shadowgraph
2.11 Schlieren
Sementara shadowgraph memberi indikasi turunan kedua kerapatan di bidang arus, schlieren adalah alat yang mengindikasikan gradien kerapatan. Perhatikan diagram skematik yang ditunjukkan pada Gambar II.27. Cahaya dari sumber celah ab collimated oleh lensa L1 dan terfokus pada plane 1 di bagian tes. Setelah cahaya melewati lensa L2, gambar terbalik sumber pada bidang fokus 2 dihasilkan. Lensa L3 kemudian memfokuskan citra bagian uji pada layar pada pesawat 3. Sekarang, mari pertimbangkan proses pencitraan secara lebih rinci. Pensil cahaya yang berasal dari titik menempati sebagian berbeda dari berbagai lensa dari yang berasal dari titik b atau titik lain dalam sumber celah. Daerah di mana pensil ini saling tumpang tindih ditunjukkan pada Gambar II.27. Perhatikan bahwa semua pensil cahaya melewati gambar pesawat cd di bagian uji dan gambar sumber plane b'a '. Gambar bagian uji di d'c 'kemudian diterangi secara seragam karena gambar di b'a' diterangi secara seragam. Ini berarti bahwa semua titik di pesawat b'a 'terpengaruh dengan cara yang sama dengan efek cairan apa pun yang mungkin terjadi di bagian uji.
Jika bagian uji benar-benar seragam dalam kerapatan, pensil cahaya tampak seperti yang ditunjukkan pada Gambar II.27; pensil yang berasal dari titik c
dibelokkan dengan jumlah yang sama seperti pensil yang berasal dari titik d. Hal ini sesuai dengan pengamatan bahwa semua pensil yang berasal dari pesawat terbang benar-benar mengisi gambar pesawat b'a '. Sekarang, perhatikan efek pengenalan penyumbatan pada bidang b'a 'di bawah keadaan ini. Kami segera menyimpulkan bahwa penyumbatan semacam itu secara seragam akan mengurangi iluminasi di layar
dengan faktor yang sebanding dengan jumlah area b'a' dicegat.
Misalkan sekarang ada gradien densitas pada bagian uji focal plane cd. Ini berarti bahwa semua pensil cahaya yang berasal dari pesawat ini tidak akan lagi mengisi gambar pesawat b'a 'sepenuhnya. Jika kemudian, penyumbatan ditempatkan pada bidang b'a ', maka akan mencegat lebih banyak cahaya dari beberapa titik di bidang uji daripada pada yang lain, mengakibatkan daerah terang dan gelap di layar pada pesawat 3. Penyumbatan disebut sebagai ujung pisau, dan variasi resultan dalam pencahayaan di layar disebut efek schlieren.
Mari kita periksa variasi iluminasi secara lebih rinci. Perpindahan sudut pensil cahaya pada bidang 1 adalah. Ini menghasilkan defleksi vertikal pada bidang 2 dari:
(2.31) dimana f 2 adalah focal length lensa L2. Akibat dari defleksi ini, ada perubahan
fraksional dalam pencahayaan di layar. Kontras pada setiap titik di layar dapat didefinisikan sebagai rasio perubahan fraksional dalam pencahayaan ke penerangan umum, atau:
(2.32) Defleksi sudut diberikan oleh Persamaan. (2,30), sehingga ekspresi kontras bisa ditulis:
(2.33) Dengan demikian, kontras pada layar berbanding lurus dengan gradien densitas dalam arus. Dapat diamati bahwa kontras dapat ditingkatkan dengan mengurangi jarak y1, yaitu dengan cara mencegat lebih banyak cahaya pada bidang citra sumber.
tanpa batas waktu dan kompromi harus diterima. Foto-foto Schlieren digunakan secara ekstensif untuk mendeteksi gelombang kejut dan fenomena lapisan batas yang rumit dalam sistem aliran supersonik. Foto schlieren tipikal ditunjukkan pada Gambar 2.30. Dalam prakteknya kebanyakan sistem schlieren menggunakan cermin dan bukan lensa untuk alasan ekonomi. Sekali lagi, pengembangan sistem digital imaging menawarkan kemungkinan pengukuran pixel-by-pixel iluminasi dan kontras pada gambar akhir.
2.12 Interferometer
Interferometer Mach-Zehnder adalah instrumen paling tepat untuk visualisasi aliran. Perhatikan representasi skematis pada Gambar II.28. Sumber cahaya collimated melalui lensa L1 ke pelat splitter S1. Pelat ini memungkinkan separuh cahaya diteruskan ke cermin M2 sambil memantulkan separuh lainnya ke cermin M1. Beam 1 melewati bagian uji, sedangkan balok 2 menempuh jalur alternatif dengan panjang kira-kira sama. Dua balok tersebut disatukan kembali dengan menggunakan pelat splitter S2 dan akhirnya terfokus pada layar. Sekarang, jika dua jalur perjalanan balok dengan panjang optik yang berbeda karena geometri sistem atau sifat refraksi dari setiap elemen jalur optik, kedua balok akan berada di luar fase dan akan mengganggu saat digabungkan bersama pada S2 . Akan ada daerah terang dan gelap bergantian yang disebut pinggiran. Jumlah fringes akan menjadi fungsi dari
perbedaan panjang jalur optik untuk kedua balok tersebut; Untuk selisih panjang jalur satu panjang gelombang akan ada satu pinggiran, dua pinggiran untuk selisih dua panjang gelombang, dan seterusnya.
Interferometer digunakan untuk mendapatkan pengukuran variasi kerapatan langsung di bagian uji. Jika densitas di bagian uji (yaitu, balok 1) berbeda dari pada balok 2, akan terjadi perubahan sifat refraktif media fluida. Jika medium di bagian uji memiliki sifat optik yang sama dengan medium pada balok 2, tidak akan ada pergeseran pinggiran kecuali yang dihasilkan dari pengaturan geometrik aparatus.
Pergeseran pinggiran ini dapat dinetralisir dengan gerakan cermin dan pelat splitter yang tepat. Kemudian, tampilan pinggiran pada layar mungkin berhubungan langsung dengan perubahan densitas di bidang arus di dalam bagian uji dengan memanfaatkan analisis berikut.
Perubahan jalur optik di bagian uji akibat perubahan indeks bias adalah
(2.34) dimana L adalah ketebalan bidang aliran di bagian uji. perubahan jalur optik mungkin terkait dengan perubahan densitas untuk gas oleh:
(2.35) Banyaknya pergeseran jumbai N lalu diberikan oleh:
(2.36) dimana λ adalah panjang gelombang cahaya. Di Pers. (2.36) perlu dicatat bahwa ρ -ρ0 mewakili perubahan kerapatan dari kondisi zero-fringe. Subskrip 0 mengacu pada kondisi zero-fringe, yaitu kondisi di jalan diikuti oleh balok 2 pada Gambar II.29. ρ adalah kerapatan referensi pada kondisi standar.
II.13 Laser Doppler Anemometer (LDA)
Kita telah melihat bagaimana metode visualisasi aliran optik menawarkan keuntungan sehingga tidak mengganggu arus selama proses pengukuran. Anemometer laser adalah alat yang menawarkan keuntungan nondisturbance dari metode optik sambil memberikan pengukuran kuantitatif yang sangat presisi terhadap fluktuasi turbulensi frekuensi tinggi.
Salah satu kemungkinan skematik dari LDA ditunjukkan pada Gambar II.30a. Sinar laser difokuskan pada elemen volume kecil di aliran melalui lensa L1. Agar perangkat berfungsi, aliran harus berisi beberapa jenis partikel kecil untuk menyebarkan cahaya, namun konsentrasi partikel yang dibutuhkan sangat kecil. Air keran biasa mengandung cukup kotoran untuk menyebarkan berkas kejadian. Dua lensa tambahan L2 dan L3 diposisikan untuk menerima sinar laser yang ditransmisikan melalui fluida (lensa L3) dan beberapa bagian balok yang tersebar melalui sudut θ (lensa L2). Lampu yang berserakan mengalami pergeseran frekuensi Doppler yang berbanding lurus dengan kecepatan aliran. Bagian balok yang tidak berkepentingan berkurang intensitasnya dengan filter kerapatan netral dan digabungkan kembali dengan balok yang tersebar melalui pemisah balok. Perangkat anemometer laser harus dikonstruksi sehingga balok langsung dan tersebar menempuh jalur optik yang sama agar interferensi akan diamati pada tabung pengganda foto yang sebanding dengan pergeseran frekuensi. Pergeseran ini kemudian memberi indikasi kecepatan aliran. Untuk mengambil data kecepatan dari sinyal photomultiplier maka teknik elektronik yang agak canggih harus digunakan
untuk pemrosesan sinyal. Sebuah penganalisis spektrum dapat digunakan untuk menentukan kecepatan aliran laminar stabil serta intensitas rata-rata dan intensitas turbulensi pada aliran turbulen.
Skema alternatif untuk menyelesaikan proses hamburan dan pengukuran ditunjukkan pada Gambar II.30b dan c. Pada (b) sinar laser terbelah di luar bagian uji, dan kedua balok tersebut dapat difokuskan pada titik yang tepat untuk dipelajari di bidang arus. Aperture bertindak sebagai perisai untuk cahaya bertenaga dan cahaya latar yang tidak koheren. Sistem pada Gambar II.30c adalah modifikasi lebih lanjut dari sistem dan memungkinkan penyesuaian panjang jalan yang mudah.
He-Ne laser gas paling sering digunakan untuk pekerjaan LDA, meskipun laser ion argon memberikan keluaran balok yang lebih intens. Laser He-Ne mengoperasikan panjang gelombang sata 632.8nm (≈5 × 1014 Hz) dengan bandwidth sekitar 10Hz. Meskipun pergeseran Doppler yang disebabkan oleh pusat hamburan bergerak kecil dibandingkan dengan frekuensi sumber laser, sangat besar dibandingkan dengan lebar pita dan dapat dideteksi dengan teknik heterodyne. Dalam prosedur ini, photocathode mencampur balok yang tersebar dengan sinar referensi
untuk menghasilkan arus dengan frekuensi yang sama dengan perbedaan frekuensi dua balok. Pengolahan elektronik memerlukan analisis spektrum dari arus fotomultiplier untuk menentukan frekuensi Doppler dan selanjutnya kecepatan aliran.
Jelas bahwa LDA mengukur kecepatan partikel hamburan. Jika mereka cukup kecil, kecepatan slip antara partikel dan fluida akan kecil, dan dengan demikian indikasi yang memadai akan kecepatan fluida akan diperoleh. Anemometer laser yang mengukur lebih dari satu kecepatan akan diperoleh. Anemometer laser yang mengukur lebih dari satu komponen kecepatan bersamaan telah dikembangkan. namun teknik pemrosesan sinyal optik dan elektronik menjadi sangat rumit dan mahal. Meski begitu, teknik ini menawarkan janji yang tidak biasa untuk penyelidikan rinci tentang turbulensi dan fenomena aliran lainnya yang mungkin
tidak dilakukan dengan cara lain. 7.14 Metode Asap
Metode visualisasi aliran yang sangat sederhana menggunakan injeksi jejak asap dalam aliran gas untuk mengikuti arus. Metode ini terutama menggunakan utilitas kualitatif dalam pengukuran yang disesuaikan dengan keinginan untuk menangkap karakteristik dari fenomena khusus. Gambar II.31 menunjukkan contoh sistem aliran di mana visualisasi asap digunakan untuk mengukur data fisikalisasi. Inthiscasesmokeis menggunakan pola aliran sekunder yang rumit di saluran yang dilalui aliran paksa bersamaan dengan gelombang pendaratan. Pola asap pada gambar II.31a setuju dengan prediksi lateral pada Gambar II.31b.
Pelaporan yang tidak sesuai dengan arus yang ada di tengah aliran darah perlu dilakukan agar partikel asap masing-masing berukuran kecil sehingga terbawa secara bebas pada kecepatan aliran. Asap yang disaring dari kayu busuk yang terbakar atau
cerutu umumnya cocok untuk studi asap, seperti asap dari titanium tetraklorida kimia saat bereaksi dengan uap air di udara untuk membentuk asam hidroklorida dan titanium oksida. Zat terakhir ini, bagaimanapun, adalah korosif terhadap banyak bahan yang digunakan untuk konstruksi kontainer. Salah satu bahan bakar terbaik
untuk memproduksi asap tidak beracun, noncorrosive, adalah produk yang disebut Type-1964 Fog Juice. Bahan bakar ini memiliki suhu mendidih sekitar 530◦F (276◦C), mengandung hidrokarbon minyak bumi, dan mungkin ada di antara rumah-rumah petak minyak. Particleimagevelocimetry (PIV) digabungkan dengan sistem suspensi digital sehingga mampu melacak gerakan partikel individu.
7.15 Kuar Tekanan
Mayoritas aplikasi dinamis fluida melibatkan pengukuran laju aliran total dengan satu atau lebih metode yang dibahas pada bagian sebelumnya. Pengukuran ini
Gambar II.1(a) Foto asap yang menunjukkan efek aliran sekunder yang dihasilkan dari gelombang suara berdiri dalam tabung: (b) garis arus aliran untuk sistem
mengabaikan variasi kecepatan dan tekanan variasi lokal pada saluran aliran dan memungkinkan hanya ada aliran total melalui penampang tertentu. Dalam aplikasi yang melibatkan situasi aliran eksternal, seperti uji terbang atau uji terowon gan angin, dibutuhkan jenis pengukuran yang sama sekali berbeda. Dalam kasus ini, probe harus dimasukkan ke dalam aliran untuk mengukur tekanan statis dan stagnasi lokal. Dari pengukuran ini kecepatan aliran lokal dapat dihitung. Kita akan membahas beberapa jenis probe dasar di bagian ini.
Tekanan total untuk stagnasi isentropik gas ideal diberikan oleh
(2.37) dimana p0 adalah tekanan stagnasi p∞ adalah tekanan statis arus bebas, dan M∞ adalah bilangan Mach arus bebas yang diberikan oleh
(2.38) Probe tekanan total dasar dapat dibangun dengan beberapa cara yang berbeda, seperti ditunjukkan pada Gambar 7.38. Dalam setiap contoh, pembukaan dalam probe berorientasi pada arah yang sejajar dengan aliran ketika pengukuran tekanan aliran total diinginkan. Jika probe cenderung pada sudut θ ke kecepatan arus bebas, tekanan yang agak rendah akan diamati. Penurunan tekanan ini ditunjukkan pada Gambar 7.38 Konstruksinya a merupakan tabung terbuka yang ditempatkan di aliran. Konfigurasi b disebut probe terlindung dan terdiri dari tabung berbentuk venturi yang diletakkan di aliran dengan tabung terbuka di tenggorokan bagian tersebut untuk merasakan stagnasi tekanan. Mungkin diperlukan bahwa alat ini berada di bawah floral. Konfigurasi c mewakili sebuah tabung terbuka dengan bukaan chamfer. Chamfer sekitar 15◦, dan rasio OD untuk ID tabung adalah sekitar 5. Konfigurasi d merupakan tabung yang memiliki lubang kecil yang dibor di sisinya, yang ditempatkan normal ke arah aliran. Jenis probe ini, seperti yang diharapkan, adalah yang paling sensitif terhadap perubahan pada sudut pandang yaw. Juga ditunjukkan pada Gambar 7.38 adalah sebagian kurva untuk Kielprobe, yang serupa dengan
konfigurasi dasar, kecuali pada bentuk venturi lainnya, probe Kiel paling tidak sensitif terhadap sudut rewan.
7.16 Tekanan Dampak pada Aliran Supersonik
Pertimbangkan probe dampak yang ditunjukkan pada Gambar II.32 yang terkena aliran bebas dengan aliran supersonik; Artinya, M1> 1. Gelombang kejut akan terbentuk di depan probe seperti yang ditunjukkan, dan tekanan total yang diukur oleh probe tidak akan menjadi tekanan total aliran bebas sebelum gelombang kejut. Namun, mungkin untuk mengungkapkan tekanan dampak pada probe dalam hal tekanan statis aliran bebas dan nomor Mach arus bebas. Ekspresi yang dihasilkan adalah
(2.39) Dimana p∞ adalah tekanan statis arus bebas dan P02 adalah tekanan dampak yang diukur di balik guncangan gelombang normal. Persamaan ini berlaku untuk bilangan Reynolds berdasarkan diameter probe lebih besar dari 400. Persamaan (2.39) disebut formula pitot supersonik Rayot. Kita melihat bahwa untuk menentukan nilai bilangan Mach kita harus melakukan pengukuran tekanan statis arus bebas. Hal ini dimungkinkan untuk membuat pengukuran ini dengan probe kalibrasi khusus.
