BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Fluida
Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida
mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air atau zat gas seperti udara
dapat mengalir. Semua zat cairitu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena
sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair,
zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir darisatu tempat ke
tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu
tempat ke tempat lain.
Fluida dibagi menjadi dua bagian yakni fluida statis (fluida diam)dan
fluida dinamis (fluida bergerak). Fluida statis ditinjau ketika fluidayang sedang
diam atau berada dalam keadaan setimbang. Fluidadinamis ditinjau ketika fluida
sedang dalam keadaan bergerak.Fluida statis erat kaitannya dengan hidraustatika
dan tekanan.Hidraustatika merupakan ilmu yang mempelajari tentang
gayamaupun tekanan di dalam zat cair yang diam.Sedangkan tekanan
didefinisikan sebagai gaya normal per satuan luaspermukaan.Setiap fluida selalu
memberikan tekanan pada semua bendayang bersentuhan dengannya. Air yang
dimasukan ke dalam gelasakan memberikan tekanan pada dinding gelas.
Demikian jugaseseorang yang mandi dalam kolam renang atau air laut, air
kolamatau air laut tersebut juga memberikan tekanan pada seluruh tubuhorang
tersebut. Tekanan total air pada kedalaman tertentu, misalnya tekanan airlaut pada
permukaan air laut dan tekanan terukur padakedalaman 200 meter. Jadi, selain
lapisan bagian atas air menekanlapisan air yang ada di bawahnya, terdapat juga
atmosfer (udara) yangmenekan permukaan air laut tersebut. Tekanan yang
ditimbulkan oleh lapisan fluida yang ada di atasdapat dikatakan sebagai tekanan
dalam karena tekanan itu sendiriberasal dari dalam fluida sedangkan tekanan
atmosfer dapat kitakatakan tekanan luar karena atmosfer terpisah dari fluida.
Tekananatmosfer (dalam kasus ini merupakan tekanan luar) bekerja padaseluruh
permukaan fluida dan tekanan tersebut disalurkan padaseluruh bagian fluida. Oleh
karena itu, tekanan total fluida padakedalaman tertentu selain disebabkan oleh
tekanan lapisan fluida padabagian atas, juga dipengaruhi oleh tekanan luar.
2.2 Klasifikasi Fluida
Menurut Raswari (1986), fluida merupakan suatu zat/bahan yang dalam
keadaan setimbang tak dapat menahan gaya atau tegangan geser (shear force).
Dapatpula didefinisikan sebagai zat yang dapat mengalir bila ada perbedaan
tekanan dan atau tinggi. Suatusifat dasar fluida nyata, yaitu tahanan terhadap
aliran yang diukur sebagai tegangan geser yang terjadi pada bidang geser yang
dikenai tegangan tersebut adalah viskositas atau kekentalan/kerapatan zat fluida
tersebut.
Sehingga fluida terdiri dari cairan dan gas (atau fase uap). Perbedaan antara
keadaan fluida dan solid jelas jika anda membandingkan perilaku fluida dan solid.
Solid berdeformasi ketika tegangan geser diterapkan, tetapi deformasi yang tidak
terus meningkat dengan waktu. Berikut pembagian klasifikasi aliran secara
2.2.1 Fluida Statis dan Fluida Dinamis
Fluida statis atau sering disebut juga fluida diam,sedangkan fluida dinamis
adalah fluida yang bergerak. Fluida Statis misalnya air didalam wadah,fluida
dinamis misalnya pergerakan angin yang digerakkan kipas angin. Fluida statis
biasanya dipengaruhi oleh hukum kontinuitas yang dipengaruhi oleh luas
penampang dan juga Bernaouli’s law yang dipengaruhi oleh ketinggian dan tekanan dari fluida. Kedua hukum hanya dapat diterapkan di fluida statis yang
sama – sama memeliki kecepatan alir dan massa jenis.
Fluida dinamis itu sendiri dipengaruhi oleh gaya Archimedes,misalnya gaya
angkat pada kapal laut. Hukum Pascal juga berpengaruh dalam fluida dinamis
ini,hukum Pascal secara singkat adalah tekanan terbagi banyak dan diteruskan
kesegala arah,misalnya pompa hidrolik dan dongkrak.
2.2.2 Aliran Viscous dan Inviscid
Aliran viskous atau aliran fluida nyata adalah aliran yang dipengaruhi oleh
viskositas. Adanya viskositas menyebabkan adanya tegangan geser dan
kehilangan energy. Pada aliran ini terjadi gesekan antarai fluida dengan
dasar/dinding saluran atau pipa. Gambar dibawah ini menampilkan percobaan
Gambar 2.1 Percobaan Viskositas
Aliran invisid atau aliran fluida ideal adalah aliran yang tidak dipengaruhi
viskositas/kekentalan sehingga aliran ini tidak memiliki tegangan geser dan
kehilangan energi. Dalam kenyataannya aliran fluida ideal tidak ada. Konsep ini
digunakan para peneliti terdahulu untuk membentuk persamaan aliran fluida dan
pengaplikasiannya di lapangan ditambahkan faktor penyesuaian sesuai kondisi
nyata.
2.2.3 Aliran Seperated and Unseperated
Aliran yang tidak terjadi separasi dapat terjadi pada aliran yang sangat
lambat. Penjelasan mengenai fenomena ini ditampilkan melalui sketsa pada
Gambar 2.3, mengilustrasikan sebuah percobaan sejumlah cairan sirup (viskositas
tinggi) dengan suhu rendah yang melampaui flume dengan beda tinggi dasar
tertentu dengan kecepatan sangat rendah. Saat mencapai pojok flume, cairan sirup
tetap megikuti dasar flume, turun vertical dan tetap ‘menempel’ hingga akhir.
Fenomena ini disebabkan momentum yang sangat kecil pada pojok dasar flume
yang diakibatkan kecepatan yang sangat rendah.
Gambar 2.3 Aliran Unseperated
Sedangkan aliran yang terjadi separasi ditampilkan sketsa pada Gambar
Fluida dengan nilai viskositas kecil atau kecepatan tinggi menimbulkan
momentum yang tinggi, sehingga sulit bagi aliran untuk ‘menempel’ pada dasar
Gambar 2.4 Aliran Seperated
Gambar 2.5 dibawah ini juga mengilustrasikan fenomena aliran pada
klasifikasi ini. Pada bagian Gambar (A) dan Gambar (B) juga mengilustrasikan
fenomena aliran viscous dan non-viskous di penjelasan sebelumnya. Gambar (C)
aliran vortex bebas, gamabr (D) aliran laminar dan gambar (E) aliran turbulen.
2.2.4 Aliran Laminar dan Aliran Turbulen
Dengan teknologi sekarang,aliran laminar bisa diprediksi lebih baik dan
akurat dengan menggunakan teknologi di laboraturium,tetapi berbeda dengan
aliran turbulen,kecuali pada aliran sederhana sangat sulit menentukan detail dan
permodelan dari aliran ini.
Misalnya pada pipa, pada sisi masuk bisa dikatakan molekul – molekul fluida
masi tersusun rapi dan tidak acak. Tetapi setelah melewati titik kritis,gerakan
fluida mulai acak. Daerah inilah disebut aliran turbulen.
Untuk aliran laminar kecepatan pada suatu titik akan tetap terhadap waktu.
Sedangkan aliran turbulen kecepatannya akan mengindikasikan suatu fluktuasi
yang acak. Dalam aliran turbulen, profil kecepatan pada suatu titik dihasilkan dari
gerak acak partikel fluida berdasarkan waktu dalam jarak dan arah.
Gambar 2.6Perpindahan aliran dari laminar ke turbulen
Dari sudut pandang hidraulik, hal yang paling mudah untuk
membedakannya adalah gerak partikel/distribusi kecepatannya seragam, lurus,
dari laminer menuju turbulen atau zona transisi terjadi pada jarak tertentu dan
zona transisi akan berakhir hingga terjadi kondisi ‘fully developed turbulence’.
Bilangan Reynold adalah bilangan tanpa dimensi yang dapat digunkan untuk
membedakan aliran laminar dan turbulen yang merupan perbandingan gaya
inersia dan gaya viskositas.
𝑅𝑒 =
𝜌𝑈𝐿
𝜇
Dimana: Re = Bilangan Reynold
U = Kecepatan Rata-Rata dari Fluida (m/s)
L= Jari jari penampung air ( m )
ρ = Massa Jenis ( kg/m3)
μ= Viskositas dinamik (kg/m.s)
Pada plat datar bilangan reynold nya adalahRe = 5 x 105 pada plat datar dan Re =
2 x 105 pada bola.
2.2.5 Aliran Vortex
Pusaran (Vortex) bentuk dalam cairan bergerak, termasuk cairan, gas, dan
plasma. Beberapa contoh umum adalah asap cincin, whirlpool yang sering terlihat
di bangun perahu, dayung, dan angin angin topan, Tornado dan badai debu.
Pusaran membentuk di bangun dari pesawat dan yang menonjol fitur atmosfer
Dalam aliran fluida,aliran inibisa berarti menunjukkan putaran ataupun
alur yang melingkar. Dalam defenisinya, aliran ratationalkecepatan vektornyaV≠
0, jika irratational kecepatan vektornya V= 0. Aliran vortex ini sendiri termasuk
dalam perpaduan aliran irrotational.
Gambar 2.7Aliran vortex 2D
Untuk membedakan aliran ratational dan irratational,kecepatan aliran
sama disemua tempat,dan makin meningkat secara teratur jika mendekati pusat.
Gambar 2.8Aliran rotational
Sedangkan aliran irratational,kecepatan total sama dengan nol,karena
tiap aliran kecepatannya berbeda -beda.Dalam pusaran irrotational, cairan
bergerak dengan kecepatan yang berbeda di berdekatan arus, jadi ada gesekan dan
karena itu kehilangan energi seluruh vortex, terutama di dekat inti.Untuk alasan
itu, irrotational pusaran juga disebut pusaran gratis.
Gambar 2.9Aliran irratational
Aliran vortex ini adalah aliran turbulen. Dikatakan aliran turbulen karena
alirannya tidak teratur dan membentuk pusaran. Vorticity(kecepatan aliran vortex)
sangat tinggi di daerah inti disekitar sumbu dan tekanan menukik tajam ke bawah
Gambar 2.10 Aliran vortex kecepatan tinggi
Aliran vortex bisa terjadi secara alami ataupun secara paksa.Aliran vortex
terjadi walaupun tidak adanya gaya yang dilakukan pada fluida
tersebut.Karateristik dari vortex bebas adalah kecepatan tangensial dari partikel
fluida yang berputar pada jarak tertentu dari pusatvortex. Hubungan kecepatan
partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada
persamaan ini:
𝑉 =
2𝜋𝑟
𝜏
Dimana:
V = kecepatantangensialfluida (m s-1)
r = jari-jariputaranpartikelfluidadarititikpusat (m)
Dalam vortex bebas, tidak ada perubahan energi melintas pada aliran
lurus, jadi persamaan di atassama dengan nol.Apabila suatu gaya diberikan pada
suatu fluida dengan maksud membuat aliran fluida berputar. Hubungan kecepatan
partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran x dapat dilihat pada
Dimana : Fc = gaya sentrifugal pada aliran vortex
W = berat partikel vortex
V = kecepatan tangensial
2.3Turbin Air
Tenaga air mulai digunakan oleh manusia sudah sekitar 2000 tahun yang lalu
yaitu ketika bangsa Yunani dan Romawi sudah mengenal kincir air, yang mana
mereka meletakkan kincir air itu secara horizontal( arah poros kincir horizontal )
di aliran sungai yang panjang.Kincir air ini digunakan tenaganya untuk
menggiling jagung dengan menggunakan roda gigi. Tenaga air yang ditimbulkan
oleh adanya energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh arus sungai
beroperasi penggilingan.Penggilingan menjadi tugas yang utama dilakukan
dengan tenaga air kemudian, dan pada perkembangannya kincir ini kemudian
dikembangkan oleh bangsa-bangsa di Asia dan Eropa Timur pada masa setelah itu
yaitu sekitar abad ke 4.
Gambar 2.11Kincir Air
Karena kincir air sudah terkenal di berbagai tempat di dunia pada
waktu itu, makamanusia mulai memikirkan tentang bagaimanacara meningkatkan
kegunaan dari tenaga air tersebut.Manusia mulai mengubah bentuk kincir air dari
keadaan yang sebelumnya, hal ini merupakan suatu langkah yang penting bagi
perkembangan teknologi kinci air pada waktu itu.Bentuk kincirpun mulai
bervariasi ada yang dipasang secara horisontal dengan arah putaran roda dari kiri
ke kanan. Pada awalnya, kincir air dipasang sedemikian sehingga pusat dari kincir
tersebut berada di atas permukaan air dan arus air akan menggerakkan bagian
bawah dari kincir tersebut sehingga kincir air dapat berputar. Kemudian,
merekaakan mencelupkan kincir di bawah permukaan air yang melebihi dari
orientasi yang sebelumnya.Pada abad ke 18, John Smeaton menguji kedua-duanya
efisiensi yang lebih tinggi. Pada abad sesudahnya para insinyur telah dapat
menyempurnakan kincir air menemukan dua peningkatan, diantaranya adalah
sudu dari kincir air yang dibengkokkan dapat bekerja lebih baik ,dan yang kedua
adalah dapat diketahui posisi yang lebih tepat dari roda sehingga dihasilkan kincir
air yang efisien.Pengembangan ini membantu orang-orang dalam penggunaan dari
kincir air yang sudah mempunyai tenaga yang lebih dari sebelumnya.Tenaga yang
lebih tersebut tidak hanya untuk menggiling hasil panen seperti jagung dan
gandum, tetapi juga dapat digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan
konveyor, sehingga masalah pengangkutan di dalam suatu pengilingan dapat
diatasi dengan penggunaan tenaga kincir air.Pada abad ke 19, turbin air telah
ditemukan, dan lambat laun mulai menggeser penggunaan dari kincir air.Manusia
mulai meninggalkan kincir air karena melihat bahwa turbin air jauh lebih efisien
dibanding dengan kincir air.Bagaimanapun, kincir air masih tersisa di seluruh
dunia sampai hari ini.
Di negara-negara berkembang, kebutuhan serta kemungkinan untuk
membuat turbin setempat kian meningkat.Peralatan, mesin-mesin, bahan dan
tenaga terlatih maupun staf teknis yang diperlukan telah tersedia, yang belum ada
hanyalah informasi dan know-hownya.Salah satu kategori mesin yang digunakan
untuk memanfaatkan tenaga air yang bisa dibuat setempat adalah turbin air.
Banyak dijumpai adanya tradisi maju di beberapa negara dalam memproduksi,
memasang dan mengoperasikan penggilingan bertenaga air kecil.Di negara Nepal
pada awal tahun 1970-antelah dibangun dan dipasang beberapa Turbin Aliran
Silang (TAS) pertama. Beberapa selang kemudian dalam dekade yang sama
bertenaga air.Turbin Aliran Silang (TAS) adalah model yang paling sederhana,
sementara TAS memerlukan kisaran tinggi terjunnya rendah dan debit air yang
dibutuhkan sangat besar.Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat
digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun
di sungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan.Pusat tenaga air tersebut dapat
dibedakan dalam dua golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat
tenaga air tekanan rendah.
2.4 KlasifikasiTurbin Air
Turbin air dapat dikelompokkan dengan berbagai cara.Menurut H. Grengg,
jenis turbin dapat digolongkan menjadi tiga sesuai dengan range dari head-nya,
yaitu :
1. Turbin dengan head rendah.
2. Turbin dengan head medium.
3. Turbin dengan head tinggi.
Sedangkan menurut cara kerjanya, maka terdapat dua jenis turbin yaitu :
1. Turbin Impuls (aksi).
(d)
Gambar 2.12 Klasifikasi Turbin Air.(a) Turbi Francis (b) Turbin Kaplan (c) Turbin Pelton
(d) Turbin Crossflow
2.4.1 Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin air yang carakerjanya dengan merubah seluruh
energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia
menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi
mekanik dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air
diubah menjadi energi kinetik.
Pada turbin impuls energi potensial air dirubah menjadi energi kinetik pada
nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin.
Setelah membentur sudu turbin arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi
perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin
impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel
Beberapa contoh dari turbin impuls adalah:
Turbin Pelton
Gambar 2.13 Turbin Pelton
Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air
yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton
adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah
turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.
Turbin Crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter / det hingga 10m3 /
det dan head antara 1 s/d 200m. Turbin Crossflow menggunakan nosel persegi
panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan
mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetis menjadi energi mekanis.
Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya ( lebih rendah
dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari
beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.
2.4.2 Turbin Reaksi
Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya sebagian saja
yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap dalam bentuk energi
tekan. Ketika air mengalir melalui roda gerak / runner terjadi perubahan energi
tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-angsur. Tekanan pada sisi masuk
roda gerak lebih tinggi dibandingkan tekanan pada sisi keluar roda gerak turbin,
dimana tekanan tersebut bervariasi terhadap laju aliran fluida yang melalui turbin.
Selanjutnya agar perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka roda gerak / runner
dalam hal ini harus tertutup dari udara luar dan seluruhnya terisi air selama turbin
beroperasi.
Beberapa contoh dari Turbin Reaksi adalah:
Turbin Francis
Bagian – bagian utama dari turbin francis adalah
Rumah spiral yang menerima air dari pipa pesat dan mengarahkan air
Bagian turbin yang berputar (runner).
Pipa pelepas air (draft-tube) yang meneruskan air dari turbin ke
saluran pembuangan.
Gambar 2.15 Turbin Francis
Turbin ini dipasang diantara sumber tekanan air tinggi di bagian masuk dan
air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu
pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu
pengarah pada turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap
ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya.
Turbin Kaplan dan Propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini
terususun dari propeller seperti pada perahu. Propeller tersebut biasanya
mempunyai tiga hingga enam sudu.
Turbin Vortex
Gambar 2.17 Turbin Vortex
Turbin pusaran air (vortex) merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran
air sebagai media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi
perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin pusaran air
(vortex) ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan
memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan
tekanan air dengan bagian sumbu.
Turbin pusaran air (vortex) merupakan salah satu turbin yang sangat
spesial, karena dapat beroperasi pada daerah yang memiliki head yang sangat
rendah. Turbin pusaran air (vortex) bekerja pada head rendah dengan ketinggian
2.4.3 PerbandinganKarakteristikTurbin Air
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai
kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya
tiap satu satuan head.Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan
penilaian yang lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi
maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan
head dan debit tertentu.
Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu
berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air
adalah sebagai berikut:
Turbin Pelton 12 < ns< 25
Turbin Francis 60 < ns< 300
Turbin Crossflow 40 < ns< 200
Turbin Propeller 250 < ns< 1000
Tabel 2.2 KecepatanSpesifikTurbin
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak
berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang
diubah skalanya dari desain yang sudah ada dengan performa yang sudah
diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan
Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan
pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin
dapat diestimasi (diperkirakan).
a) Berdasarkan Arah Aliran
Jenis Turbin Arah Aliran
Francis Radial atau Gabungan
Pelton Tangensial
Kaplan Aksial
Deriaz Diagonal
Tabel 2.3Jenis Turbin berdasarkan Arah Aliran
b) Berdasarkan Tenaga yang Dihasilkan
Besar tenaga kuda (P) yang dihasilkan oleh sebuah turbin dapat dinyatakan
sebagai berikut:
𝑃 =𝑤𝑄ℎ75 𝜂0
dimana:
𝜂0 = daya guna / efisiensi menyeluruh dari turbin
= tinggi tekan efektif
𝑤 = satuan berat dari air, dimana dalam keadaan normal diambil 1000 kg/m3
c) Berdasarkan Kecepatan Spesifik
Kecepatan Spesifik Jenis Turbin
10 – 35 Pelton dengan 1 nosel
35 – 60 Pelton dengan 2 atau beberapa nosel
60 – 300 Francis
300 – 100 Kaplan
Tabel 2.4Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik
2.4.4 Performansi dan Efisiensi Turbin
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang diperlukan adalah kecepatan sudut (𝜔 ) dan torsi (T).
𝑃 = 𝑇. 𝜔
( Sumber : W. Paryatmo, 2007 )Dimana :
P = Daya turbin ( Watt ) T = Torsi ( Nm )
Untuk menghitung Torsi ( T ) adalah :
Untuk menghitung kecepatan sudut adalah : ω = 2𝜋𝑛
Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
