PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II
MODUL 5
BILANGAN REYNOLD
LABORATORIUM RISET DAN OPERASI TEKNIK KIMIA
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UPN”VETERAN” JAWA TIMUR
BILANGAN REYNOLD
TUJUAN
Menentukan Bilangan Reynold ( Nre) kritits untuk air yang mengalir secara vertical berdasarkan pengamatan langsung ( observasi visual) dan pengukuran laju alir
TEORI
Perilaku zat cair yang mengalir sangat tergantung pada kenyataan apakah fluida itu berada dibawah pengaruh bidang batas atau tidak. Daerah dimana pengaruh dinding itu kecil, tegangan geser mungkin dapat diabaikan dan perilaku fluida itu mendekati fluida ideal, yaitu tidak mampu mampat dan mempunyai viskositas = 0 . Aliran fluida demikian itu disebut aliran potensial.
Fluida didefinisikan sebagai zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi) secara permanen. Bila kita coba mengubah bentuk massa fluida, maka didalam fluida itu terbentuk lapisan-lapisan dimana satu lapisan meluncur diatas lapisan yang lain, hingga mencapai bentuk baru.
Tekanan dikenal sebagai sifat dasar dari fluida statik, tekanan dikenal sebagai gaya permukaan yang diberikan oleh fluida terhadap dinding bejana. Tekanan terdapat pada suatu titik didalam volume fluida. Tekanan pada setiap penampang yang sejajar dengan permukaan bumi
Keturbulenan
Fluida dapat mengalir di dalam pipa atau saluran menurut dua cara yang berlainan. Pada laju aliran rendah, penurunan tekanan didalam fluida itu bertambah secara langsung menur ut kecepatan fluida, pada laju tinggi, pertambahan itu jauh lebih cepat lagi. Perbedaan antara kedua jenis aliran pertama kali ditunjukkan dalam percobaan klasik Osborne Reynolds, tahun 1883. Sebuah tabung gelas dibenamkan didalam tangki berdinding gelas y ang penuh dengan air. Aliran air yang terkendali kemudian dilarutkan dalam tabung itu dengan membuka suatu katup. Pintu masuk ke dalam tabung dilebarkan dan disediakan pula suatu fasilitas untuk memasukkan suatu filamen air berwarna dari suatu labu, yang ditempatkan diatas. Ke dalam arus pada lubang masuk tabung, pada laju aliran rendah, air berwarna mengalir tanpa gangguan bersama dengan aliran umum dan tidak terlihat adanya campur silang. Perilaku pita warna ini menunjukkan dengan jelas bahwa air itu meng alir menurut garis-garis lurus yang sejajar dan bahwa aliran itu laminar. Bila laju aliran ditingkatkan akan dicapai suatu kecepatan yang disebut kecepatan kritis dimana benang merah itu
menjadi bergelombang dan berangsur -angsur hilang karena zat warna itu tersebar dan berada didalam keseluruhan penampang alairan air. Perilaku air berwarna itu menunjukkan bahwa air itu tidak lagi mengalir menurut gerakan laminar, tetapi bergerak kemana-mana dalam bentuk aliran silang dan pusaran. Gerakan jenis ini dinamakan aliran turbulen.
Angka Reynold dan Transisi Dari Aliran Laminer ke Aliran Turbulen
Reynold mempelajari kondisi dimana satu jenis aliran berubah menjadi aliran jenis lain, dan menemukan bahwa kecepatan kritis, dimana aliran laminer berubah menjadi aliran turbulen, bergantung pada empat variable yaitu ; diameter tabung / pipa (D), viskositas fluida (), densitas fluida () dan kecepatan linear fluida (V). Lebih jauh ia menemukan bahwa empat faktor itu dapat digabungkan menjadi satu gugus, dan bahwa p erubahan macam aliran berlangsung pada suatu nilai tertentu gugus itu. Pengelompokan variabel menurut penemuannya itu adalah :
DV
N
Re
(1) dimana : D = Diameter tabungV = kecepatan linier fluida = Densitas zat cair = Viskositas zat cair
Gugus variabel tanpa dimensi itu dinamakan angka reynold (Reynolds Number) Nre. Gugus ini merupakan salah satu gugus tidak berdimensi yang besarnya tidak tergantung pada satuan yang digunakan. Pada transisi laminer menjadi aliran turbulen dapat berlangsung pada suatu kisaran angka reynold yang cukup luas aliran laminar selalu ditemukan pada angka reynold dibawah 2.100, tetapi bisa terdapat pada angka reynold sampai beber apa ribu yaitu dalam kondisi khusus dimana lubang masuk tabung sangat baik kebundarannya dan zat cair didalam tangki sangat tenang. Pada kondisi aliran biasa, aliran itu turbulen pada angka reynold diatas kira-kira 4.000. Antara 2.100 dan 4.000, terdapat s uatu daerah transisi dimana jenis aliran itu mungkin laminar atau turbulen.
Aliran Laminer Dalam Pipa
Hubungan umum aliran fluida ditunjukkan bahwa langkah yang menentukan dalam penurunan hubungan-hubungan itu adalah berkaitan antara kecepatan lokal u dengan posisi didalam tabung arus, persamaan yang dipakai :
2 2
2r r r g u w w c w
(2) Sedangkan nilai maksimum yang berada di pusat pipa :
2 max w c wg r u (3) Dari pers. (2) dan pers. (3) diperoleh hubungan :2 max 1 w r r u u (4)
Bentuk persamaan (2-7) itu menunjukkan bahwa dalam aliran laminer, distribusi kecepatan terhadap jari-jari ialah berupa parabola dengan puncaknya terletak pada garis pusat pipa.
Untuk kecepatan rata-rata menghasilkan persamaan :
4
0 2 2 3 w c w r w w c wr
r
rdr
g
r
r
g
V
w
(5)Perbandingan dengan um a x menunjukkan bahwa :
5 , 0 max u V (6)
Dengan menggunakan persamaan Hagen-Poiseuille ditransformasikan dengan mengeliminasi w dan menggantinya dengan menggunakan Ps, yaitu dengan
bantuan persamaan (4) dan mengganti jari-jari pipa dengan menggunakan diameter pipa :
Penyelesaian untuk Ps menghasilkan
2 32 D g LV Ps c
(7) karena Ps = 4w/DL D g V c w
8 (8)Substitusi dari persamaan (12) ke persamaan ( 3) menjadi
Re 16 16 N DV f
(9)Aliran Turbulen Dalam Pipa
Dalam aliran turbulen, sebagaimana dalam aliran laminer, gradien kecepatan adalah nol pada garis pusat. Pusaran pada inti turbulen itu biasanya besar, didalam zona transisi kecil, tetapi intensitasnya tinggi.
Distribusi kecepatan didalam aliran turbulen biasanya tidak dinyatakan sebagai kecepatan vs jarak, tetapi malah dengan parameter tanpa dimensi yang didefinisikan pada persamaan berikut :
w c fg
V
u
*
2
(10) max u u u (11)
c wg
y
yu
y
*
dimana : u* = kecepatan gesek
u+ = koefisien kecepatan, tanpa dimensi y+ = jarak, tanpa dimensi
y = jarak dari dinding tabung
Hubungan antara y, r dan rw, jari-jari tabung adalah :
rw = r + y (12)
Sedangkan hubungan antara angka reynold dengan hukum faktor gesek untuk tabung licin, persamaannya adalah :
8 Re 2 Re 2 2 2 2 f f f f w c N N v DV v V r y (13)
maka persamaan dituliskan dalam bentuk yang lebih berguna, yang dikenal sebagai persamaan Von Karman
0
,
60
log
07
,
4
1
Re
N
f
f
(14) PROSEDURAlat percobaan terdiri dari sebuah pipa gelas vertical yang dilengkapi dengan pipa jarum untuk aliran zat cair berwarna. Selain itu disediakan dua tangki penampung umpan masing-masing untuk air dan zat cair berwarna, dan satu tangki penampung aliran keluar dari pipa vertical. Laju alir air dan cairan berwarna diatur melalui masing-masing kran yang berada diatas kolom.
Cara melakukan Percobaan.
1. Alirkan air kedalam tangki T2 pada laju tertentu dengan membuka kran V2 dan
tunggu hingga aliran konstan, selanjutnya buka kran V1 dan atur laju zat warna
hingga tidak mengganggu pola aliran air (laju aliran zat warna lebih rendah
atau maksimal sama dengan laju aliran air).
2. Catat kecepatan volumetric air.
3. Amati pola aliran yang diindikasikan oleh pola aliran zat warna (laminar atau
turbulensi).
4. Ulangi percobaan dengan variasi laju volumetric air.
Tugas.
1. Hitung Bilangan Reynold (Nre) dan factor friksi untuk tiap run percobaan
2. Taksirlah harga Bilangan Reynold kritis dan bandingkan harga tersebut dengan
literature.
2 1 6 8 5 5 4 7 3 5 5 5 Keterangan :1. Tangki penampung air 2. Tabung kaca
3. Tangki pembuangan 4. Tangki zat warna 5. Kran
6. Air masuk 7. Overflow 8. Pipa zat warna
